基于流固耦合模型对京沪高速公路改扩建拓宽路基差异沉降控制标准的研究

2024年3月18日发(作者：长城风骏c5房车)

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北方交通　　　　　　　　　　　　　　　２０２０年　第９期

　

文章编号：１６７３－６０５２（２０２０）０９－００７０－０４　　　　　　ＤＯＩ：１０．１５９９６／ｊ．ｃｎｋｉ．ｂｆｊｔ．２０２０．０９．０１８

基于流固耦合模型对京沪高速公路改扩建

拓宽路基差异沉降控制标准的研究

侯　爵

（江苏省交通工程建设局　南京市　２１０００４）

　　摘　要：对高速公路改扩建差异沉降标准进行研究，通过对既有道路观测数据分析，利用流固耦合模型对拼宽

ｃｍ，路基进行数值模拟，分析了新老路基差异沉降特性，提出京沪高速公路差异沉降控制标准：工后沉降不超过５

５ｃｍ，路拱横坡度增大值应不大于０．５％。总沉降量不超过１

　　关键词：高速公路改扩建；沉降控制标准；数值模拟；流固耦合模型

中图分类号：Ｕ４１６．０５　　　　　　文献标识码：Ｂ

　　随着汽车保有量和对外的出行需求的快速上

涨，部分高速公路的服务水平已不能适应交通量的

增加和社会发展的要求。有效解决这一问题的途径

有两个，分别是新建高速公路和既有高速公路的改

扩建，由于改扩建具有规划难度低、占用土地少、工

期短、造价低，可实现施工保通等优势，因此，我国高

１－２］

速公路扩建多采用老路加宽的形式

［

。

３］

甘磊

［

等人根据沪宁高速公路试验段的研究

数值模拟手段，提出京沪高速公路改扩建路基差异

沉降的控制标准。

１　工程概况

１．１　项目概况

京沪高速公路江苏段纵贯全省中部，是江苏省

高速公路网“纵三”高速的重要组成部分。新沂至

江都段起于苏鲁省界，穿越苏北、苏中腹地，依次经

徐州市、宿迁市、淮安市、扬州市，终于扬州市江都区

正谊枢纽，全长２５９．６ｋｍ，于２０００年１２月建成通

车，现状为双向４车道高速公路，设计速度１２０

ｋｍ／ｈ，路基宽度２８ｍ，本次改扩建采用双侧拼宽的

改造方式，改造后的路基标准断面宽度为４２ｍ。

１．２　工程地质条件

主要以京沪高速改扩建工程为背景进行研究，

该路段分布的路段以１－２层软土、２－１ｂ层软土、

２－２层软土为主。１－２层软土土性为淤泥质粉质

黏土，局部为淤泥，灰色，流塑，高含水率、高孔隙比、

高压缩性。一般层顶埋深０～２．５ｍ，该层厚度变化

范围较大。２－１ｂ层土性为软塑粉质粘土，局部为

淤泥质粉质粘土、淤泥质粘土，灰色，软塑～流塑，中

偏高～高压缩性，呈透镜体状分布于２－１层中，揭

．５～１４．８ｍ，层厚一般为１．５～３．９ｍ。示层顶埋深７

本层软土埋深较浅一般，厚度整体较小。

２　既有路基沉降特性分析

为了解既有路基沉降特征，通过现场沉降观测

１５ｃｍ，工后沉降结果提出加宽路基按照总沉降量＜

＜５ｃｍ，新旧路基差异沉降＜５ｃｍ的控制标准，横坡

４］

允许增加值为０．５０％。陈海珊

［

在探讨软基加固

的问题基础上提出广佛高速公路拓宽工程中路基工

５］

后沉降＜１０ｃｍ的控制标准；鄂海清等

［

在分析佛开

高速公路新老路基沉降变形规律，提出施工期老路

容许最大差异沉降为４ｃｍ，容许横坡的增加率为

０?３０％，拓宽路基工后沉降为１０．０ｃｍ，容许工后横

６］

坡增加率为０．４５％。刘奉侨等人

［

提出沈大高速

公路拓宽路基工后沉降不大于８ｃｍ的控制标准。

７］

徐泽中等人

［

提出锡澄与沪宁拼宽段的控制标准

为：工后沉降控制年限为１５年，一般路段容许沉降

量

≤

３０ｃｍ，桥头段

≤

１０ｃｍ，过渡段

≤

２０ｃｍ，老路中心

点附加沉降

≤

２．０ｃｍ，横坡改变值

≤

０．５０％。根据

已有研究结论可知，不同高速扩建项目的控制不一

致，行业标准和地方标准之间也未统一。以京沪高

速公路（沂淮江段）改扩建为基础，结合理论分析和

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资料对既有路基的变形进行了分析。鉴于宝应互

通、高邮老横泾河路段前期沉降较大，自２０１４年起

对此路段进行为期４年的加密观测（间距５０～

２００ｍ），具体观测数据如图１，原地基处理总体情况

较为理想，路基沉降稳定性良好，大部分路段交工后

期沉降量较小，而对于少部分深厚层软基路段，难以

在预压期内达到完全沉降稳定，但通过运营期间地

基固结及沉降监测数据，老路路基沉降值均小于

３ｍｍ／年。因此，老路路基的变形已经趋于稳定，现

地层

路面

路基土

表１　地基土路基土的模型参数

密度

含水量天然孔液限塑限粘聚力内摩擦

压缩系数

压缩模量

固结系数

１３２

％隙比／％／％／ｋＰａ角／（°）

／

／（ＭＰａ）

／／（ｋｇ／ｍ

３

）

／

（ＭＰａ）

－

１０

－

ｃｍ／ｓ

３

－

２．５×１０

３

２．０×１０

－

－

－

－

－

－

－

－

３０

－

２８

－

－

０．３３

１４００

１５

５．４９

－

－

３．４８

３

粉质粘土

１

２７．８０．７９２３４．３１８．８１８．０１２．３

．９５×１０

３．２　三维流固耦合计算理论

采用Ｆｌａｃ３ｄ有限差分软件分析路基拼宽的沉

降问题，采用对称性分析，取实际模型的一半作为计

算域进行模拟，地基水平向取８０．０ｍ，竖直向取

状路基已收敛稳定。

图１　既有路基２０１４～２０１７年沉降观测曲线图

３　数值计算分析

３．１　数值模型建立及参数选取

根据工程场地条件，建立了软土路段路基拼宽

的数值模拟分析模型。模型路线的路基计算断面如

图２所示，既有路基宽度采用１４．０ｍ，两侧各拼宽

７．０ｍ，新老路基边坡均采用１∶１．５。根据京沪高速

公路路面结构方案，路面采用厚度２６ｃｍ沥青混凝

土面层，厚度３８ｃｍ水泥稳定碎石基层，厚度２０ｃｍ

的低剂量水稳碎石底基层。地基土和路基土模型参

数如表１所示。

图２　软土段路基拼宽数值模型（单位：ｍ）

５０?０ｍ，路基采用摩尔库伦的四边形的块体模型，地

基单元取流固耦合的块体模型。模型左右侧水平向

约束，竖直方向自由，不排水边界。底部边界水平和

竖直方向均约束，地基表面自由，排水。图形一共建

立

８３４３个网格，具体模型网格单元如图３所示。

图３　模型有限差分网格划分情况

３．３　路基沉降特性分析

３．３．１　施工前路基沉降特性

根据既有路基沉降观测资料，路基沉降小于

３ｍｍ／年，因此老路路基已经沉降变形稳定。如图４

既有路基各标志点沉降值随计算时步的变化曲线，

根据对各沉降点的分析，路基中心点的沉降量最大，

既有老路两侧沉降量较小，路基呈一个“盆”型的沉

降曲线。因此，老路路中下的地基经过场地的路堤

荷载和交通荷载的作用，地基发生排水固结，沉降变

形区域稳定，使得路中地基中的土体的压缩指标和

强度指标均有明显改善，而老路坡脚下的地基由于

受到的荷载较小，其排水固结效果明显较老路路中

的地基差，因此，其地基土物理力学性质的改善也不

如老路路中地基土，在拼宽路基荷载的影响下，将会

产生差异沉降。

３．３．２　新旧路基差异沉降特性分析　

对模型进行施工期和运营期的渗流模拟，如图

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北方交通　　　　　　　　　　　　　　　２０２０年　第９期

图４　既有路基沉降点随时步的变化曲线

５所示，拓宽路基的土路肩的沉降量大于路基面层

其他位置的沉降量，而沉降曲线呈中间大两边小的

正盆形。由于拓宽路基以条形荷载的方式作用在拓

宽路基上，其中心位置大致在拓宽路基的土路肩附

近。由于路基附加荷载的影响，新旧路基地表沉降

均出现变形沉降，但拓宽路基沉降量明显大于既有

路基，并且越靠近拼宽路基，路基变形沉降的增大值

的幅度越大。如图所示，老路路面的竖向变形呈下

弯的趋势，使得老路路面顶部受拉作用，拉应力的大

小随着距离中心点的距离的增大而减小，当路面的

极限拉应力超过路面抗拉强度时，路面就会发生拉

裂破坏。

图５　路基工后期沉降变化曲线

３．４　路基拼宽沉降控制标准分析

３．４．１　新旧路基差异沉降控制标准

由于拓宽后，路基的最大沉降量在拼宽路基的

土路肩位置，因此，对路基中心点、新旧路基衔接处

以及土路肩外边缘进行位移监测，如图６路基监测

点随计算时步的变化曲线所示。拼宽路基施工期

间，拼宽路基地基土在附加荷载的影响下，产生较快

沉降变形，对附加荷载的敏感性较高，持续时间较

图６　监测点沉降随时步的变化曲线

长，施工结束后的沉降量较大。

对路基差异沉降的控制标准根据江苏省地方标

准《高速公路扩建工程技术标准》（ＤＢ３２／Ｔ３２１９－

２０１７）以及沪宁高速等省内高速改扩建成功经验，

控制标准有三个方面：拼宽部分路基总沉降；工后沉

降；既有道路中心附加沉降不大于３ｃｍ。工后沉

降＝老路中心点沉降量＋新老路基容许工后沉降横

坡率增量×路中心点与最大沉降点之间的距离。由

图可知，路基差异沉降控制标准为：拼宽后路基总沉

降量小于１５ｃｍ，拼宽路基工后沉降也小于５ｃｍ。由

于新路荷载在老路中心引起的附加沉降量较小，并

且５０％以上会在施工期内完成。因此老路的中心

点的沉降值相对较小，与新旧路基横坡改变率差异

沉降量大体相当。此外，京沪高速公路沿途跨越较

多航道、铁路、河流等，而由于老路纵断面设计需考

虑满足涉铁、涉航、涉洪等相应的净空要求，造成老

路纵断面的局部路段抬升，因此中心点的沉降量不

作为控制标准。

３．４．２　容许横坡改变率

高速公路改扩建过程中新旧路基差异沉降发展

是一个长期的过程，路面结构层能够承受的应力也

随差异沉降的发展而变化，同时，在反复交通荷载的

作用下，路面结构层的寿命也在变化

［８］

。高速公路

沥青混凝土路面层进行层底抗拉应力验算时，结构

层计算点的拉应力

σ

ｍ

应小于或等于该材料的容许

抗拉强度

σ

Ｒ

，即：

σσ

σ

ＳＰ

ｍ

≤

Ｒ

＝

Ｋ

Ｓ

其中，

σ

Ｒ

为路面结构层允许抗拉强度，

σ

ＳＰ

为结

构层材料的极限抗拉强度，Ｋ

Ｓ

为抗拉强度结构系数。

２０２０年　第９期　　　侯　爵：基于流固耦合模型对京沪高速公路改扩建拓宽路基差异沉降控制标准的研究

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抗拉强度结构参数可表示为：

０．２２

Ｎ０．０９Ａ

Ｃ

α

Ｋ

Ｓ

＝

Ａ

Ｃ

异沉降量的变形量，路基拼宽时的横坡容许增大值

．５％。应不大于０

４　结论

通过基于流固耦合渗流模型对京沪高速沂淮江

段公路路基拼宽进行数值模拟，获得了路基拼宽时

差异沉降标准，即：

（１）路基最大工后沉降不超过５ｃｍ。

（２）路基总沉降量不超过１５ｃｍ。

３）路拱横坡度增大值应不大于０．５％。（

参考文献

［１］　翁效林．高速公路拓宽路基差异沉降控制技术研究［Ｄ］．西

安：长安大学，２００９

［２］　张军辉．软土地基上高速公路加宽变形特性及差异沉降控制

标准研究［Ｄ］．南京：东南大学，２００６．

［３］　甘磊，王家强．沪宁高速公路扩建工程路基路面设计探讨与研

究：第十届中国科协年会论文集（四）［Ｃ］．郑州：２００８．

［４］　陈海珊，胡永深．广佛高速公路加宽工程的软基处理［Ｊ］．广

东公路交通，１９９８（３）．

［５］　鄂海清，魏曙红．佛开高速公路软基路堤拓宽沉降控制标准研

Ｊ］．公路，２０１２（２）．究［

［６］　刘奉侨，曲向进，聂鹏，等．沈大高速公路改扩建工程路基加宽

Ｊ］．辽宁交通科技，２００５（１）．技术［

［７］　徐泽中，苏超，何良德，等．锡澄与沪宁高速公路拼接段地基处

理设计［Ｊ］．水利水电科技进展，１９９８（２）．

［８］　杨涛，李磊，李国维．公路双侧拓宽差异沉降控制标准研究

［Ｊ］．公路交通科技，２０１４（５）．

式中，Ａ细粒式

α

为沥青混凝土级配类型系数，

．０。Ｎ和中粒式沥青混凝土为１

Ｃ

为设计年限内一

个车道上累积当量轴次，由于京沪高速公路重车比

．０７×例较高，设计年限的累积当量轴次Ｎ

Ｃ

为３

７

１０，Ａ取１．０。

Ｃ

为高速公路等级系数，

京沪高速公路改扩建表面层为细粒式沥青玛蹄

脂碎石，抗劈裂强度为１．４～１．９ＭＰａ，中粒式沥青混凝

土的劈裂强度取０．８～１．２ＭＰａ，则计算可得，高速公路

上面层细粒式沥青玛蹄脂碎石的容许拉应力为０．３５～

，中粒式沥青混凝土为０．２０～０．３０ＭＰａ。０．４７ＭＰａ

ＪＴＧ／Ｔ根据《高速公路改扩建设计细则》（

），路拱横破的增大值不大于０．５％。根Ｌ１１－２０１４

据模型计算结果，路面结构层拉应力集中在老路路

基表面，随距离中心点的距离增大而减小，最大拉应

．２５ＭＰａ，小于沥青面层的容许拉应力，而根据力为０

路基沉降量计算，路基中心点的沉降量为３ｃｍ，土路

肩总沉降量为１５ｃｍ，整体式路基宽度为４２ｍ，因此

横坡改变值为

１５－３

×１００％＝０．５７％＞０．５％

Δ

＝

２１００

综上所述，根据路面破裂的力学指标和路基差

ＳｔｕｄｙｏｎＣｏｎｔｒｏｌＣｒｉｔｅｒｉｏｎｏｆＳｕｂｇｒａｄｅＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＳｅｔｔｌｅｍｅｎｔｆｏｒＷｉｄｅｎｉｎｇｏｆ

Ｊｉｎｇ－ｈｕＥｘｐｒｅｓｓｗａｙＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＦｌｕｉｄ－ｓｏｌｉｄＣｏｕｐｌｉｎｇＭｏｄｅｌ

ＨＯＵＪｕｅ

（ＪｉａｎｇｓｕＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＴｒａｎｓｐｏｒｔＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＢｕｒｅａｕ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１０００４，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｃｒｉｔｅｒｉｏｎｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｆｏｒｅｘｐｒｅｓｓｗａｙｗｉｄｅｎｉｎｇｉｓｓｔｕｄｉｅｄ，ｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｏｎ

ｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｄａｔａｏｆｏｌｄｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ，ｔｈｅａｒｔｉｃｌｅｕｓｅｓｔｈｅｆｌｕｉｄ－ｓｏｌｉｄｃｏｕｐｌｉｎｇｍｏｄｅｌｔｏｓｔｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｎｅｗ

，ａｎｄｐｒｅｓｅｎｔｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｗｉｄｅｎｉｎｇｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ．Ａｎａｌｙｚｅｔｈｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｎｅｗａｎｄｏｌｄｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ

ｃｒｉｔｅｒｉｏｎｏｆｓｕｂｇｒａｄｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｆｏｒｗｉｄｅｎｉｎｇｏｆＪｉｎｇ－ｈｕｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ：ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔａｆｔｅｒ

ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｗｉｄｅｎｅｄｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｓｈｏｕｌｄｂｅｌｅｓｓｔｈａｎ５ｃｍ；ｔｈｅｔｏｔａｌｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔｆｏｒｔｈｅｗｉｄｅｎｅｄｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ

；ｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｇｒａｄｉｅｎｔｖａｒｉａｔｉｏｎｓｈｏｕｌｄｂｅｌｅｓｓｔｈａｎ０．５％．ｓｈｏｕｌｄｂｅｌｅｓｓｔｈａｎ１５ｃｍ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　Ｗｉｄｅｎｉｎｇｏｆｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ；Ｃｏｎｔｒｏｌｃｒｉｔｅｒｉｏｎｏｆｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ；Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ；Ｆｌｕｉｄ－ｓｏｌｉｄ

ｃｏｕｐｌｉｎｇｍｏｄｅｌ