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【摘 要】本文利用有限元数值分析方法，对京港澳高速公路京石段拓宽工程的初步设计方案进行了理论分析，通过对不同路基拼接设计方案的沉降分析，探讨了不同方案的工程可行性。分析表明通过合理开挖台阶和加筋，可有效减小不均匀沉降。而清坡后直接铺筑新路基的拼接方式会导致新、旧路基衔接面滑移，沉降差较大，当路基较高时不宜采用。
【关键词】道路工程；旧路拓宽；不均与沉降；路基拼接；有限元
1. 引言
（1）京港澳高速公路是一条首都放射型国家高速，是连接北京和广州、珠海、香港、澳门等南部重要城市的高速公路，为我国的南北交通大动脉。随着我国经济的发展，最初的双向4车道已经不能满足日益增长的交通要求，故对京港澳高速公路进行拓宽，改双向4车道为双向8车道成为必然选择。目前，绝大部分路段已经完成了该项工作，而北京至石家庄段的拓宽工作也正在进行。
（2）对公路进行拓宽，无论是单向拓宽还是双向拓宽，地基沉降和路基的稳定性分析是非常重要的。原有公路地基在路堤荷载和车辆荷载的作用下，沉降已基本处于稳定状态，而两侧加宽部分的地基基本为原状土地基，在新的路基荷载作用下，地基将产生沉降变形，并对原有路基路面产生一定的影响，路堤拓宽后，新老路基之间将形成沉降差。因此，如何通过合理的拼接方案，保证新、旧路基的不均匀沉降在允许范围内从而不影响路面的结构性能，成为工程成败的一个关键问题[1，2]。地基沉降和路基稳定性的理论分析计算可为沉降处理和稳定性处理的方案设计提供可靠的理论依据。
（3）本文以京港澳高速公路京石段拓宽工程为背景，利用有限元数值方法，分析了不同拓宽方案的可行性，为京石段拓宽工程提供设计的理论依据。
2. 路基拼接的数值分析模型
（1）新老路基的强度差异对拓宽工程性状具有及其重要的影响，在进行拓宽路基处理设计时，有必要遵循“协同作用”的原则[3]。为处理好新老路基结合部，不影响既有已稳定路基，新路基除必要的地基处理外，还应对填料强度、填料密实、新老路基结合部做综合考虑，这些方面也是引起新老路基差异沉降，结合部破坏，不协调变形的主要因素。
（2）路基拼接的加强新、旧路基土结合部的处理一般有以下几种方法：清坡、挖台阶、加筋[4]。清坡主要是去除原路基表面不稳定土，这部分土体性质各异，对工后沉降控制不利，一般均予以去除；挖台阶主要是指在路基土拼接面上开挖台阶，增强新、旧路基土之间的连接，合理的台阶尺寸既有利于实现这一目标，又便于施工；加筋一般采用土工格栅或者格室，其目的也是增加新、旧路基土的结合。
（3）对照国内相关工程的经验，对京港澳京石段的路基拼接进行了初步设计。初步确定采用两侧拓宽方式，如图1所示。
图1 路堤和地基计算几何参数（4）图1中H表示新、旧路基高度。路基的拼接沉降问题可简化为平面应变问题，采用有限元方法对京石段路基拼接方案进行数值仿真。京石段原路可用基宽24m，4车道；双向拓宽改为8车道后，要求路基拓宽到42m。根据经验，数值模型范围为路基底面向下扩展10m，路基边缘排水沟外侧向外扩展5m。考虑到是双向拓宽，利用对称性，模型取实际结构的一半进行分析。
合理性与可行性。
3.1 方案1——清坡后直接铺筑。
（1）方案1如图2所示。主要适用于路堤高度小于6m的情况。
（2）数值模型中新、旧填路堤高度按5.8 m高度计算，新、旧路基之间采用接触模拟，新填路基和地基土之间采用接触模拟，摩擦系数取为0.3，接触面的粘结摩擦力为20 KN/m2，以及在路堤0.3 m深度处和0.8 m深度处加筋。其变形前、后的有限元模型示意图以及计算结果见图3～图6所示。
（3）由图4可见，路面最大沉降为8.1cm，但是在新旧路基界面沉降曲线变化急剧，这也可以从图5、图6看出，由于新旧路基衔接面积小，容易产生滑移和沉降差，因此不推荐应用该方案。
4. 结语
本文利用有限元数值分析方法，对京港澳高速公路京石段拓宽工程的初步设计方案进行了理论分析，通过对不同路基拼接设计方案的沉降分析，探讨了不同方案的工程可行性。分析表明通过合理开挖台阶和加筋，可有效减小不均匀沉降。而清坡后直接铺筑新路基的拼接方式会导致新、旧路基衔接面滑移，沉降差较大，当路基较高时不宜采用。
参考文献
[1] 朱银乐， 衰胜强， 姜伟魏. 高速公路拓宽改建工程路基拼接设计与应用. 上海公路， 2009， （1）：1～4.
[2] 谢家全， 吴赞平， 华斌. 沪宁高速公路扩建工程软土地基处理和路基拼接技术研究.现代交通技术， 2006， （5）： 40～47.
[3] 毛文华. 高速公路改扩建路基拼接技术探讨. 公路交通科技（应用技术版）， 2010， （6）： 37～39.
[4] 梁新政， 何淼. 沪宁高速公路扩建工程路基拼接处治措施及其作用机理. 公路交通科技（应用技术版），2006， （9）： 58～61.
[5] 杨雪强， 凌平平， 向胜华. 基于系列Drucker-Prager破坏准则评述土坡的稳定性. 岩土力学， 2009， 30（4）： 865～870.
【关键词】道路工程；旧路拓宽；不均与沉降；路基拼接；有限元
1. 引言
（1）京港澳高速公路是一条首都放射型国家高速，是连接北京和广州、珠海、香港、澳门等南部重要城市的高速公路，为我国的南北交通大动脉。随着我国经济的发展，最初的双向4车道已经不能满足日益增长的交通要求，故对京港澳高速公路进行拓宽，改双向4车道为双向8车道成为必然选择。目前，绝大部分路段已经完成了该项工作，而北京至石家庄段的拓宽工作也正在进行。
（2）对公路进行拓宽，无论是单向拓宽还是双向拓宽，地基沉降和路基的稳定性分析是非常重要的。原有公路地基在路堤荷载和车辆荷载的作用下，沉降已基本处于稳定状态，而两侧加宽部分的地基基本为原状土地基，在新的路基荷载作用下，地基将产生沉降变形，并对原有路基路面产生一定的影响，路堤拓宽后，新老路基之间将形成沉降差。因此，如何通过合理的拼接方案，保证新、旧路基的不均匀沉降在允许范围内从而不影响路面的结构性能，成为工程成败的一个关键问题[1，2]。地基沉降和路基稳定性的理论分析计算可为沉降处理和稳定性处理的方案设计提供可靠的理论依据。
（3）本文以京港澳高速公路京石段拓宽工程为背景，利用有限元数值方法，分析了不同拓宽方案的可行性，为京石段拓宽工程提供设计的理论依据。
2. 路基拼接的数值分析模型
（1）新老路基的强度差异对拓宽工程性状具有及其重要的影响，在进行拓宽路基处理设计时，有必要遵循“协同作用”的原则[3]。为处理好新老路基结合部，不影响既有已稳定路基，新路基除必要的地基处理外，还应对填料强度、填料密实、新老路基结合部做综合考虑，这些方面也是引起新老路基差异沉降，结合部破坏，不协调变形的主要因素。
（2）路基拼接的加强新、旧路基土结合部的处理一般有以下几种方法：清坡、挖台阶、加筋[4]。清坡主要是去除原路基表面不稳定土，这部分土体性质各异，对工后沉降控制不利，一般均予以去除；挖台阶主要是指在路基土拼接面上开挖台阶，增强新、旧路基土之间的连接，合理的台阶尺寸既有利于实现这一目标，又便于施工；加筋一般采用土工格栅或者格室，其目的也是增加新、旧路基土的结合。
（3）对照国内相关工程的经验，对京港澳京石段的路基拼接进行了初步设计。初步确定采用两侧拓宽方式，如图1所示。
图1 路堤和地基计算几何参数（4）图1中H表示新、旧路基高度。路基的拼接沉降问题可简化为平面应变问题，采用有限元方法对京石段路基拼接方案进行数值仿真。京石段原路可用基宽24m，4车道；双向拓宽改为8车道后，要求路基拓宽到42m。根据经验，数值模型范围为路基底面向下扩展10m，路基边缘排水沟外侧向外扩展5m。考虑到是双向拓宽，利用对称性，模型取实际结构的一半进行分析。
合理性与可行性。
3.1 方案1——清坡后直接铺筑。
（1）方案1如图2所示。主要适用于路堤高度小于6m的情况。
（2）数值模型中新、旧填路堤高度按5.8 m高度计算，新、旧路基之间采用接触模拟，新填路基和地基土之间采用接触模拟，摩擦系数取为0.3，接触面的粘结摩擦力为20 KN/m2，以及在路堤0.3 m深度处和0.8 m深度处加筋。其变形前、后的有限元模型示意图以及计算结果见图3～图6所示。
（3）由图4可见，路面最大沉降为8.1cm，但是在新旧路基界面沉降曲线变化急剧，这也可以从图5、图6看出，由于新旧路基衔接面积小，容易产生滑移和沉降差，因此不推荐应用该方案。
4. 结语
本文利用有限元数值分析方法，对京港澳高速公路京石段拓宽工程的初步设计方案进行了理论分析，通过对不同路基拼接设计方案的沉降分析，探讨了不同方案的工程可行性。分析表明通过合理开挖台阶和加筋，可有效减小不均匀沉降。而清坡后直接铺筑新路基的拼接方式会导致新、旧路基衔接面滑移，沉降差较大，当路基较高时不宜采用。
参考文献
[1] 朱银乐， 衰胜强， 姜伟魏. 高速公路拓宽改建工程路基拼接设计与应用. 上海公路， 2009， （1）：1～4.
[2] 谢家全， 吴赞平， 华斌. 沪宁高速公路扩建工程软土地基处理和路基拼接技术研究.现代交通技术， 2006， （5）： 40～47.
[3] 毛文华. 高速公路改扩建路基拼接技术探讨. 公路交通科技（应用技术版）， 2010， （6）： 37～39.
[4] 梁新政， 何淼. 沪宁高速公路扩建工程路基拼接处治措施及其作用机理. 公路交通科技（应用技术版），2006， （9）： 58～61.
[5] 杨雪强， 凌平平， 向胜华. 基于系列Drucker-Prager破坏准则评述土坡的稳定性. 岩土力学， 2009， 30（4）： 865～870.