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公路路基沉降計(jì)算及不均勻沉降對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響

文檔作者：孫瑞彭偉文檔來源：湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司		更新日期： 2026年08月24日	點(diǎn) 擊數(shù)：
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2021 23 年第12期 工程前沿
孫 瑞，彭 偉
湖南中大設(shè)計(jì)院有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410075
摘　要：為了提高公路路基的建設(shè)水平，文章依托某山區(qū)公路項(xiàng)目，利用有限元軟件ANSYS建立了計(jì)算模型，探討了不
同加寬寬度下的路基沉降變形，并提出了相應(yīng)的控制措施，同時(shí)分析了路基不均勻沉降對(duì)路面結(jié)構(gòu)最大彎拉應(yīng)力的影響
規(guī)律，研究成果可為類似的公路路基路面設(shè)計(jì)提供一定的理論指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞：公路工程；路基；不均勻沉降；路面結(jié)構(gòu)
中圖分類號(hào)：U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2096-2789（2021）12-0023-02
1 工程概況
某 山 區(qū) 公 路 全 長(zhǎng) 24km，路線起訖樁號(hào)為K6+400～
K30+400，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為一級(jí)公路，雙向四車道，設(shè)計(jì)速度為
80km/h。公路沿線地勢(shì)平坦，填土高度小于8m，填方坡率
取 1∶1.5，填料采用碎石土。地基土以強(qiáng)風(fēng)化砂巖和中
風(fēng)化砂巖為主，其承載力滿足路基填筑要求。根據(jù)勘察報(bào)
告和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，碎石土容重取20.5kN/m3、黏聚力取5kPa、
內(nèi)摩擦角取 35°、彈性模量為40Mpa；強(qiáng)風(fēng)化砂巖容重取
22kN/m3、黏聚力取 24kPa、內(nèi)摩擦角為26°；中風(fēng)化砂巖
容重取 24kN/m3、黏聚力取 35kPa、內(nèi)摩擦角為40°。
文章以某橫斷面為研究對(duì)象，分析公路改擴(kuò)建路基的
變形特性。該橫斷面老路基寬26m，現(xiàn)在要對(duì)老路進(jìn)行雙側(cè)
加寬建設(shè)，路基填筑平均高度為6m，加寬部分的邊坡坡率
與老路邊坡相同，均為1∶1.5。路面結(jié)構(gòu)層為瀝青混凝土，
厚 74cm，路面結(jié)構(gòu)組合為4cm上面層（AC-13）+6cm中面層
（AC-16）+8cm下面層（AC-25）+36cm基層（水泥穩(wěn)定碎石）+
20cm 底基層（級(jí)配碎石）。
2 基于有限元法的公路路基沉降計(jì)算
公路路基沉降總量 =地基土沉降+路堤填料自身壓
縮，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的公路改擴(kuò)建
路基差異沉降采用有限元分析法計(jì)算。擬選擇有限元軟件
ANSYS15.0建立計(jì)算模型，計(jì)算不同加寬寬度下公路路基的
沉降特性。
2.1 路基沉降計(jì)算理論
ANSYS 軟件分析公路路基是基于Druker-Prager模型，
該模型在模擬路堤填土力學(xué)變形所需的參數(shù)上容易測(cè)定，
同時(shí)可以考慮填土的抗壓強(qiáng)度，還能夠彌補(bǔ)摩爾-庫(kù)侖準(zhǔn)
則導(dǎo)數(shù)在節(jié)點(diǎn)處不連續(xù)的缺陷。D-P準(zhǔn)則屈服時(shí)與破壞面函
數(shù)如下：
（1）
（2）
（3）
式中：α、k 為屈服材料常數(shù)；I1 為第一應(yīng)力不變量；J2
為第二偏應(yīng)力不變量。
2.2 路基沉降計(jì)算模型
（1）基本假設(shè)。公路是三維帶狀結(jié)構(gòu)物，路基沉降計(jì)
算屬于平面應(yīng)變問題的范疇，故建立二維計(jì)算模型。同時(shí)，
該公路運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng)，老路基的固結(jié)基本完成，初始位移
場(chǎng)設(shè)為零，路基自重及行車荷載采用等效土柱來模擬。
（2）邊界條件。因?yàn)榈叵滤惠^低，對(duì)路堤填筑影響
較小，所以將公路新老路基的模型底部設(shè)為不透水邊界，
并對(duì)其 X方向、Y方向、Z方向完全約束；路基頂部和邊坡
坡面屬于自由邊界條件，可發(fā)生豎向壓縮和水平位移，且
新老路基間接觸為完全連續(xù)接觸，地基進(jìn)行X方向約束，
只產(chǎn)生豎向壓縮變形。
（3）網(wǎng)格劃分。由于路基兩側(cè)對(duì)稱，建立半幅路基模
型即可，路基有限元模型如圖1所示。路基模型的網(wǎng)格劃
分采用四邊形單元，同時(shí)為了提高模型計(jì)算精確度，對(duì)新
老路基結(jié)合位置的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格尺寸取1m，其
他部分網(wǎng)格均取 2m，共劃分出4850個(gè)單元、5685個(gè)節(jié)點(diǎn)。
圖 1 路基有限元模型
2.3 路基沉降計(jì)算結(jié)果
舊路基高取6m，單側(cè)加寬寬度取6m、8m、10m和12m。
改擴(kuò)建路基模型建立完成后，在路基頂面和地基土頂面每
隔 1m設(shè)置1個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，得到各加寬寬度下路基及地基
土的總變形（“+”為沉降，“-”為隆起）如圖2所示。
公路路基沉降計(jì)算及不均勻沉降對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響
工程技術(shù)研究 2021 年第12期 24
（a）路基表面沉降 （b）地基表面沉降
圖 2 加寬寬度對(duì)路基變形的影響
由圖 2可知，在老路中心附近，路基頂面變形為負(fù)值，
說明老路基受到新路基的側(cè)向擠壓而隆起。當(dāng)距離老路中
心超過 5m時(shí)，各加寬寬度下路基頂面沉降變形均隨著距老
路中心點(diǎn)距離的增加而增加。同時(shí)，路基加寬寬度越大，
路基頂面沉降變形越大，則新老路基間的差異沉降也越大。
單側(cè)加寬寬度為 6m、8m、10m、12m的路基，其最大沉降量
分別為 5.98cm、8.05cm、9.97cm、11.46cm。
地基同樣在舊路中心附近出現(xiàn)了隆起現(xiàn)象，隆起位移
不大。地基表面變形與距離老路中心距離是整體呈“勺”
形變化的，即隨著距離老路中心距離的增加（＞5m），地基
表面沉降是先增加后減小，基本在新路基的邊緣處達(dá)到最
大值，且地基表面沉降最大值均略小于路基頂面沉降。因此，
在進(jìn)行新路基加寬時(shí)應(yīng)當(dāng)重視地基的加固處治。
2.4 路基沉降防治措施
若公路路基沉降處治不當(dāng)，可能導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞、
路面開裂等病害，會(huì)對(duì)路面使用性能、通行能力等產(chǎn)生直
接的影響。筆者根據(jù)上文路基沉降計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合多年
工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了公路路基沉降常用的防治措施，具
體如下。
路基沉降預(yù)防措施可分設(shè)計(jì)階段和施工階段制訂。在
設(shè)計(jì)階段，應(yīng)加強(qiáng)野外勘察，充分收集公路沿線地質(zhì)資料，
盡可能避免高填方路堤。如果路基處在填挖交界或縱坡較
大路段，可開挖臺(tái)階來提高路基的整體穩(wěn)定性，減小路基
沉降。在施工階段，應(yīng)在施工前做好路基兩側(cè)排水，并將
原地面垃圾、樹根等雜物清理干凈。施工期間填料要分層
攤鋪、分層碾壓，確保填料達(dá)到最佳壓實(shí)度，并在路基填
筑完成后對(duì)其壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)，如不滿足規(guī)范要求，要及
時(shí)整改。此外，對(duì)于特殊巖土區(qū)域（如軟土、巖溶等）的
路基，應(yīng)當(dāng)先處治特殊地質(zhì)，再進(jìn)行路基的施工。
3 不均勻沉降對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響
由上文可知，舊路基加寬后的沉降變形主要呈中減小、
兩側(cè)大的趨勢(shì)。路基不同位置與老路中心的差異沉降 δ 可
采用正弦三角函數(shù)計(jì)算，如下式：
（4）
式中：δmax 為路基最大差異沉降；L 為新路肩距老路中
心的距離；x 為沉降計(jì)算點(diǎn)距老路基中心的距離。
在分析路面結(jié)構(gòu)的應(yīng)力時(shí)可將新老路基的差異沉降當(dāng)
作路面邊界條件。有限元軟件ANSYS計(jì)算出的不同差異沉
降值下路面結(jié)構(gòu)層最大彎拉應(yīng)力的變化如圖 3所示。
圖 3 路面結(jié)構(gòu)的最大彎拉應(yīng)力
由圖 3可知，隨著距離老路中心的距離的增加，新老
路基間的差異性沉降增加，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)的彎拉應(yīng)力不斷
提高（彎拉應(yīng)力最大值為0.55MPa），且兩者之間基本呈線
性正相關(guān)變化趨勢(shì)。當(dāng)新老路基間差異沉降從3cm增加至
12cm時(shí)，路面結(jié)構(gòu)的最大彎拉應(yīng)力增長(zhǎng)了120%，這說明不
均勻沉降對(duì)路面結(jié)構(gòu)層的影響十分明顯，且不均勻沉降最
大位置對(duì)于路面結(jié)構(gòu)層而言也是最容易破壞的位置。
4 結(jié)論
文章以某公路改擴(kuò)建工程為例，對(duì)新老路基間的沉降
變形規(guī)律及其對(duì)路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力的影響進(jìn)行了研究，主要得
到了以下結(jié)論：（1）Druker-Prager模型用于路基沉降計(jì)算
時(shí)可以考慮填土的抗壓強(qiáng)度，彌補(bǔ)了摩爾-庫(kù)侖理論在節(jié)
點(diǎn)處不連續(xù)的缺陷；（2）老路中心附近容易受到新路基側(cè)向
擠壓而隆起，易產(chǎn)生拉應(yīng)變；（3）隨著與老路中心距離的增
加，路基頂面沉降變形增加，地基表面沉降先增加后減小；
（4）路基不均勻沉降最大位置的路面結(jié)構(gòu)層彎拉應(yīng)力最大，
應(yīng)加強(qiáng)處治。
參考文獻(xiàn)：
[1] 張春濤.高填方路基不均勻沉降的機(jī)理分析及防治措施[J].公
路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2018,14(8):112-113.
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[3] 王緒茂.路橋過渡段路基路面設(shè)計(jì)要點(diǎn)及沉降處理措施[J].工
程技術(shù)研究,2020,5(4):234-235.
作者簡(jiǎn)介：孫瑞，男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榈缆吩O(shè)計(jì)。

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