主题：高速公路路基拓宽改扩建的路基和路面结构变形规律研究
摘要：
本文选取山西晋中高速公路工程改扩建为研究对象，建立数值分析模型，系统分析了路基拓宽填筑过程中的变形规律，并着重研究了路基拓宽稳定后的路面结构变形特性。研究表明：(1) 填筑后的路基最大水平位移出现在新路堤边坡坡脚下方。(2) 新旧地基交界面和新路基与旧地基交界面处水平位移变形集中。(3) 随着新路基填筑高度增大，路基沉降增大，对旧路基的影响也逐渐增大。(4) 路基宽改建变形稳定后，路面结构水平位移从旧路基顶面中心向旧路基边缘呈线性增加。(5) 新旧路基会发生差异沉降，离旧路基中心越远，沉降越大。
关键词：公路路基;拓宽;变形规律;数值分析;
作者简介：张素霞（1984—），女，山西翼城人，工程师。;
随着交通运输业高速发展，大量城市道路亟待拓宽改扩建。已有众多学者对路基拓宽的变形规律进行了深入的研究。李晓等[1,2]通过数值模拟，分析了改扩建道路的路基横向变形和路堤边坡稳定性，揭示了路基拓宽会导致新旧路基变形增加。王景环等[3,4]通过有限元模拟，研究了新拓宽路基的变形规律，指出在路基填筑过程中，新旧路基中间会产生附加差异沉降，且旧路基路肩会产生较大水平位移。彭伟等[5,6]基于工程项目，建立有限元分析模型，重点研究了新老路基的不均匀沉降变形规律和路面结构层应力变化。
本研究以山西晋中高速公路工程为例，拟对两侧路面进行拓宽改扩建。道路全长1.62 km，原道路路面宽度26.0 m，路基边坡坡度比1∶1.5，为双向四车道。设计方案为将两侧路面拓宽8.2 m，形成双向八车道，见图1。（因路基拓宽对称性，仅展示右半幅道路拓宽示意图。）路基高度为5 m，新建路堤坡率仍为1∶1.5，地基土层主要包括硬壳土、亚黏土以及淤泥质黏土等，详细尺寸见图1。
图1 半幅路基拓宽
建立abaqus有限元模型，见图2，考虑对称性，仅对右半幅道路拓宽工程进行模拟分析。该模型长、宽和高分别为50 m、1 m和41 m，路基边坡坡度比1∶1.5。计算过程假设旧路基已固结沉降完成，新路基作为附加荷载施加在旧路基之上，仅考虑路基土的自重作用。模拟过程分为两个阶段，首先杀死新路基单元，然后逐渐激活新路基单元。模型上边界自由，其他边界水平和竖向位移约束，采用德鲁克-普拉格本构模型进行计算。
图2 数值模型
模型土体的物理力学指标见表1。
表1 土体的物理力学指标
新路基填筑过程中的路基水平位移云图见图3。
图3 填筑过程中路基水平位移云图
随着新路基填筑高度的增加，路基水平位移发生变化，填筑后的路基最大水平位移出现在新路堤边坡坡脚下方，路基填筑的增高使得最大水平位移位置由地基内部逐步上升到新路基坡脚位置。新旧地基交界面和新路基与地基交界面均出现水平位移变形集中现象。旧路基坡脚左侧地基向旧路基中心方向移动，旧路基坡脚右侧地基向旧路基外侧方向移动。
新路基填筑过程中的路基竖向位移云图见图4。
图4 填筑过程中路基竖向位移云图
随着新路基填筑高度的增加，新路基沉降逐渐增大，最大沉降发生在新路堤与地基交界中心处。随着路基填筑高度的增大，对旧路基影响也逐渐增大，旧路基附加沉降逐渐增大。
拓宽变形稳定后路基顶面的水平位移监测曲线见图5，位移方向向右为正，反之为负。随着路基顶面从旧路基中心向边缘移动，路面结构水平位移呈线性增大。最大水平位移出现在新旧路基交界处。旧路基中心与边缘位置的水平位移变化幅度更大。拓宽稳定后，新旧路基会发生差异沉降，离旧路基中心越远，沉降越大。差异沉降将导致路面结构的不均匀沉降和破损，因此应加大路面结构维护管理力度，保证路面结构的正常使用和行车安全。
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图5 拓宽完成后路基顶面的水平位移 下载原图
图5 显示了拓宽完成后路基顶面的水平位移情况。从旧路基顶面中心到旧路基顶面边缘，水平位移呈现线性增长趋势，最大水平位移出现在新旧路基交界处，值为15.12 mm。新路基的水平位移比旧路基路肩更小，最大水平位移为13.45 mm，发生在新路基中心，并向道路两侧逐渐减小。
图6 为拓宽完成后路基顶面的竖向位移监测曲线图，向上为正位移，向下为负位移。
图6 拓宽完成后路基顶面的竖向位移 下载原图
图6 表明，从旧路基顶面中心到新路基的顶面外边缘，路基竖向沉降呈现增长趋势，最大沉降发生在新路基外边缘处，值为 70.32 mm。这意味着在新路基的修建过程中，路基会发生差异沉降，离旧路基中心越远，沉降越大。
总结如下：
- 填筑后的路基最大水平位移发生在新路堤边坡坡脚下面。路基填筑的增高使得最大水平位移位置由地基内部逐步上升到新路基坡脚位置。新旧地基交界面、新路基与地基交界面均出现水平位移变形集中现象，旧路基坡脚左侧地基向旧路基中心方向移动，旧路基坡脚右侧地基向旧路基外侧方向移动，越靠近新路基坡脚，水平位移越大。
- 随着新路基的填筑高度不断增大，新路基沉降不断增大，最大沉降发生在新路堤与地基交界中心处。随着路基填筑高度的增大，对旧路基的影响也逐渐增大，旧路基附加沉降逐渐增大。
- 路基拓宽变形稳定后，从旧路基顶面中心到旧路基的顶面边缘，水平位移一直呈线性增大趋势，路基顶面最大水平位移发生在新旧路基交界处。从旧路基顶面中心到新路基的顶面外边缘，路基竖向沉降逐渐增大，即在新路基修建过程中路基会发生差异沉降，离旧路基中心越远，沉降越大。
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