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摘要：随着经济的快速增长，我国的高速公路交通面临着新的挑战，许多高速公路现有的交通承载能力已不能满足当前需要，亟待进行改扩建工程。不少工程实践已经证明了改扩建工程相较于新建高速的优越性，但改扩建工程中新老路基间的不均匀沉降问题仍是目前工程实践中的重要问题。本文依托某高速公路路基拼宽桥梁项目，进行了不同工况下的数值分析，研究拼宽路基过程中不同因素对既有桥梁的影响，对高速公路路基拼宽桥梁的关键技术进行分析，为实际工程提供指导。

关键词：高速公路、路基拼宽、数值分析、关键技术

1 引言

高速公路是交通系统里的关键环节，保证其通行顺畅对国家的交通能力和社会成员的幸福感都有很大提升。对现有高速公路进行改扩建[1]是我国在工程实践中摸索出来的成熟方法，目前在多个地区得到了应用推广。改扩建工程不仅可以有效地提高道路的交通承载能力[2]，还可以有效地改善地区的交通结构，降低项目资金投入，减少对农耕地的占用，更好地保证耕地红线，利在当下功在千秋。然而由于新老路基的填料性质不均匀及应力历史不同，新老路基将产生不均匀沉降，路面可能因此产生裂缝[3]，若地表水渗流进入裂缝，还可能对道路的正常使用造成更大威胁，对保证公路的行车安全产生影响。在高速公路改扩建工程中，对既有桥体进行拼宽桥梁施工会影响通行，因此多采用路基拼宽桥梁方案，拼宽路基的填筑过程需要进行合理安排，控制其对既有桥梁结构和新老路基不均匀沉降[4]。因此，对路基拼宽桥梁过程进行数值分析，就影响不均匀沉降的关键因素进行分析，提出控制不均匀沉降的关键技术，可更好地保证安全性与经济性。

2 工程实例概况

本文依托某高速公路改扩建项目，原项目设计为双向四车道，拟在既有桥梁两侧进行路基拼宽扩建工程，改造为双向八车道。对新路基基底进行管桩地基处理，增强新路基基底的承载力。老桥桥宽30m，结构形式为主跨28m的预制箱梁，下部结构中的柱式墩和摩擦桩直径均为1.5m，采用钻孔灌注桩，按摩擦型桩设计，桩长40m，既有桥梁的受力良好，结构变形达到稳定。路基拼宽段周边环境并无特殊构筑物，满足相关规范要求。现场进行地质勘察得到地层参数见表1。

3 路基拼宽桥梁数值模拟

本文拟采用ABAQUS有限元软件进行路基拼宽桥梁数值模拟分析，研究不同路基填料重度、新路基管桩处理深度等因素对既有桥梁桩基沉降及新老路基不均匀沉降的影响。模型采用的地层参数见表1，土体采用摩尔库伦本构模型，单元为C3D8实体单元。既有桥梁桩体采用C30混凝土的参数，单元为C3D8I非协调单元。项目实例桩基按摩擦桩进行设计，模型中桩与土之间接触面采用tie连接，桩与土共同协调变形。拼宽路基分为两层，高度均为8m，拼宽段底宽为30m，顶宽为22m。数值分析模型中，在水平面对应方向设置相应方向的位移约束，模型底部限制各方向位移，模型顶面设置为自由面。管桩处理所采用的管桩参数见表2，数值分析模型示意图见图1所示。

3.2模拟工况设置

数值模拟工况设置见表3所示。

3.3数值模拟分析步设置

路基拼宽桥梁模拟分析步的设置主要分为四步：（1）地应力平衡分析步，既有桥梁与地层沉降达到稳定。（2）第一层拼宽路基填筑分析步，激活第一层拼宽路基，施加体力荷载模拟拼宽路基填筑过程。（3）第二层拼宽路基填筑分析步，操作过程与第一层填筑过程相同。（4）沉降稳定分析步，计算路基填筑一个月后沉降分布情况。

3.4数值模拟结果分析

3.4.1不同路基填料重度下数值结果分析

图2描述了模型中1号桩到4号桩在不同填料重度工况下其桩顶沉降分布情况，随着路基填料重度的增大，各个桩桩顶沉降量递增，且沉降的增长速率成上升趋势。随着桩体与新路基间距离增大，新填方路基对桩周土体产生的附加应力效应递减，引起的附加变形也递减，桩体本身所受的负摩阻力减小，桩体沉降也随之减小。因此，随着桩体与新路基之间距离越大，桩顶沉降变化量越小。图中1号桩桩顶沉降最大，竖向位移达到17.9mm，4号桩桩顶沉降最小，竖向位移仅有9.2mm。

在不同路基填料重度工况下，提取新路基顶面最右侧点沉降量与桩顶沉降量，进行数据处理后绘制得到沉降差分布见图3所示，随着路基填料重度的增大，新路基的沉降增长速率快于既有桩顶的沉降增长速率。各桩体桩顶沉降与新路基之间的沉降差逐渐增大，且随着桩体与新路基间距离递增，桩体与新路基间沉降差递增，1号桩距离新老路面的分界处最为接近，沉降差最大为43.2mm，沉降差最小为27.1mm。

3.4.2不同管桩处理深度下数值结果分析

图4提取了不同管桩处理深度下路基最右侧顶面沉降量与各桩顶沉降之间的差值，采用轻质土填料进行路基填筑时，未处理时最大沉降差可达43.2mm，经管桩处理后沉降差得到了有效控制，且随着处理深度的增大，新老路基间不均匀沉降逐渐减小，趋于稳定。管桩处理5m时，沉降差值最大为22.8mm，管桩处理7m时，1号桩沉降差为14.2mm，已经控制到15mm以内，沉降控制率达到65%，且继续增大管桩处理深度，新老路基间的沉降差异变化不大。因此，在该工况下管桩处理深度达到7m即可满足要求，不均匀沉降已经可以得到有效控制。

4 路基拼宽桥梁关键技术

4.1路基拼宽桥梁关键要点

在高速公路路基拼宽桥梁工程中，填筑路基将引发既有桥梁桩基在附加应力作用下产生附加沉降，同时新老路基间的不均匀沉降也对工程有不利影响，将影响道路的行车安全，这两个方面也是工程中的难点和重点[5]。因此，在路基拼宽桥梁工程中，要重点针对既有桩基沉降和新老路基间的不均匀沉降问题进行解决，在设计和施工过程中要充分考虑到这两个方面[6]。

4.2路基拼宽桥梁关键技术

通过对路基拼宽桥梁的多工况数值模拟分析，得到了路基填料重度和新路基基底处理深度对既有桩体沉降和新老路基不均匀沉降的影响规律，据此提出在路基拼宽桥梁工程中应遵循的设计及施工关键技术要点：

（1）在路基拼宽桥梁方案设计时，采用轻质土路基填料。一方面，采用轻质路基填料可以减小新路基自身重力，从而控制新路基在自重作用下的竖向变形。另一方面，采用轻质土填筑路基，既有桥体桩基所受附加应力将会显著减小，从而达到抑制既有桥体桩基竖向变形，可以有效控制既有桥体桩基的沉降和新老路基间的不均匀沉降。

（2）新路基填筑过程中分层填筑压实，做好对每一层路基的填筑和压实质量的严格控制。在路基填筑和压实过程中，在边缘位置压实时应加宽0.5m，确保在分层填筑路基的过程中其边缘可以得到充分地压实，每层路基进行填筑时均应进行两遍压实，施工时横纵压实错位距离应符合规范要求。同时，由于在路基搭接位置处台阶压实度需严格进行控制，考虑到单钢轮压路机的局限性，可以采用三钢轮压路机对台阶处进行压实收边，可以有效保证新老路基交界面的压实质量。新路基做好压实工作可以避免在新路基投入使用后产生较大的固结沉降，可以有效地控制新老路基间不均匀沉降的发生。

（3）对新路基基底进行基底处理，处理时要注意选取合适的处理方案，新路基基底处理过程不宜对既有桥体产生扰动影响，如在进行管桩处理时桩位选择应避免影响到现有桥体的桩基，出现偏移、断桩等。对新路基进行基底处理可提高新路基的地基承载力，减小地基压缩性，抑制地基在自重作用下产生的变形，可有效地减小不均匀沉降。

（4）新旧路基路面在接缝位置处要做好衔接，对于路基拼宽桥梁项目，可在新路基填筑完成三个月后，待新路基在自重固结变形基本稳定后进行拼接缝的拼接工作，进行拼接时，可采用植筋或者自攻型锚定螺栓进行拼接缝施工。采用自攻型锚定螺栓连接时，在进行打孔时要注意避开原有桥梁的预应力管道，避开面板内的预应力钢筋、纵向钢筋和横向箍筋等等。做好拼接缝的连接可以有效地增强新旧路基的整体性和稳定性，可以有效减小新老路基间的不均匀沉降，保证道路行车安全。

5 关键技术实施成效

项目经过分析论证，设计采用轻质土作为路基填料，在路基拼宽段进行了分层压实填筑施工。拼宽路基基底进行了管桩地基处理，项目实例进行管桩处理时取管桩处理深度为6m，处理时在桩位挑选和施工设计上尽量避免对原有桥体的桩基产生影响。在进行新老路基表面拼接缝施工时，项目采用自攻型锚定螺栓连接，螺栓与混凝土咬合紧密，结构受力可靠且便于施工。

现场路基填筑施工完成后对现场桩基的沉降观测结果显示，在轻质土路基填筑过程中既有桥梁桩基的沉降变化最大仅为2mm。在管桩处理段新老路基交界处不均匀沉降变化极小，仅为1.2mm。现场实测结果较数值分析结果偏小，主要是因为一方面数值模拟分析中并未将连接处的接缝处理进行模拟，数值分析中结构整体性较实际较差，另一方面，未模拟新路基沉降稳定步骤，导致新老路基不均匀沉降过大。

现场观测结果表明，在进行路基拼宽桥梁施工时，采用以上技术处理后可以有效控制路基拼宽桥梁工程中的既有桩体沉降和新老路基间差异沉降。

6 结语

本文依托工程实例，对路基拼宽桥梁过程进行了数值模拟分析，研究了不同填料重度和路基处理深度工况下，新路基填筑对既有桥梁桩基沉降和新老路基差异沉降的影响规律，据此对路基拼宽桥梁工程中存在的难点和重点进行了分析，提出了在路基拼宽桥梁的关键技术要点：

（1）在路基拼宽桥梁方案设计时，采用轻质土路基填料。

（2）新路基填筑过程中做好对路基压实质量的严格控制。

（3）新路基基底选取合适的基底处理方案，处理过程不宜对既有桥体产生扰动影响。

（4）新旧路基路面接缝处做好衔接施工。

工程实例现场观测表明，采用以上关键技术进行拼宽路基施工可以有效解决对既有桩基沉降影响和新老路基不均匀沉降的关键性问题，对于工程实际具有现实意义，可为其他类似改扩建工程提供参考。

参考文献

[1] 周庚，李勃.城区国省道公路改扩建总体设计[J].公路，2021，66（07）：367-370.

[2] 况庆庆，王清林.改扩建新旧路基拼宽差异性沉降控制技术[J].公路，2021，66（01）：358-361.

[3] 刘兆光，陶建利，吴先树.改扩建项目既有桥梁利用及拼宽技术研究[J].公路，2020，65（09）：164-169.