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公路路基沉降計算及不均勻沉降對路面結構的影響

文檔作者：孫瑞彭偉文檔來源：湖南中大設計院有限公司		更新日期： 2026年08月24日	點擊數：
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上一篇：公路路基施工質量通病成因及處理研究

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2021 23 年第12期 工程前沿
孫 瑞，彭 偉
湖南中大設計院有限公司，湖南 長沙 410075
摘　要：為了提高公路路基的建設水平，文章依托某山區公路項目，利用有限元軟件ANSYS建立了計算模型，探討了不
同加寬寬度下的路基沉降變形，并提出了相應的控制措施，同時分析了路基不均勻沉降對路面結構最大彎拉應力的影響
規律，研究成果可為類似的公路路基路面設計提供一定的理論指導。
關鍵詞：公路工程；路基；不均勻沉降；路面結構
中圖分類號：U416.1 文獻標志碼：A 文章編號：2096-2789（2021）12-0023-02
1 工程概況
某 山 區 公 路 全 長 24km，路線起訖樁號為K6+400～
K30+400，建設標準為一級公路，雙向四車道，設計速度為
80km/h。公路沿線地勢平坦，填土高度小于8m，填方坡率
取 1∶1.5，填料采用碎石土。地基土以強風化砂巖和中
風化砂巖為主，其承載力滿足路基填筑要求。根據勘察報
告和現場試驗，碎石土容重取20.5kN/m3、黏聚力取5kPa、
內摩擦角取 35°、彈性模量為40Mpa；強風化砂巖容重取
22kN/m3、黏聚力取 24kPa、內摩擦角為26°；中風化砂巖
容重取 24kN/m3、黏聚力取 35kPa、內摩擦角為40°。
文章以某橫斷面為研究對象，分析公路改擴建路基的
變形特性。該橫斷面老路基寬26m，現在要對老路進行雙側
加寬建設，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。路面結構層為瀝青混凝土，
厚 74cm，路面結構組合為4cm上面層（AC-13）+6cm中面層
（AC-16）+8cm下面層（AC-25）+36cm基層（水泥穩定碎石）+
20cm 底基層（級配碎石）。
2 基于有限元法的公路路基沉降計算
公路路基沉降總量 =地基土沉降+路堤填料自身壓
縮，隨著計算機技術的飛速發展，越來越多的公路改擴建
路基差異沉降采用有限元分析法計算。擬選擇有限元軟件
ANSYS15.0建立計算模型，計算不同加寬寬度下公路路基的
沉降特性。
2.1 路基沉降計算理論
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變形所需的參數上容易測定，
同時可以考慮填土的抗壓強度，還能夠彌補摩爾-庫侖準
則導數在節點處不連續的缺陷。D-P準則屈服時與破壞面函
數如下：
（1）
（2）
（3）
式中：α、k 為屈服材料常數；I1 為第一應力不變量；J2
為第二偏應力不變量。
2.2 路基沉降計算模型
（1）基本假設。公路是三維帶狀結構物，路基沉降計
算屬于平面應變問題的范疇，故建立二維計算模型。同時，
該公路運營時間較長，老路基的固結基本完成，初始位移
場設為零，路基自重及行車荷載采用等效土柱來模擬。
（2）邊界條件。因為地下水位較低，對路堤填筑影響
較小，所以將公路新老路基的模型底部設為不透水邊界，
并對其 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，可發生豎向壓縮和水平位移，且
新老路基間接觸為完全連續接觸，地基進行X方向約束，
只產生豎向壓縮變形。
（3）網格劃分。由于路基兩側對稱，建立半幅路基模
型即可，路基有限元模型如圖1所示。路基模型的網格劃
分采用四邊形單元，同時為了提高模型計算精確度，對新
老路基結合位置的網格進行加密處理，網格尺寸取1m，其
他部分網格均取 2m，共劃分出4850個單元、5685個節點。
圖 1 路基有限元模型
2.3 路基沉降計算結果
舊路基高取6m，單側加寬寬度取6m、8m、10m和12m。
改擴建路基模型建立完成后，在路基頂面和地基土頂面每
隔 1m設置1個變形監測點，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。
公路路基沉降計算及不均勻沉降對路面結構的影響
工程技術研究 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，路基頂面變形為負值，
說明老路基受到新路基的側向擠壓而隆起。當距離老路中
心超過 5m時，各加寬寬度下路基頂面沉降變形均隨著距老
路中心點距離的增加而增加。同時，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了隆起現象，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，
在進行新路基加寬時應當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，可能導致邊坡失穩破壞、
路面開裂等病害，會對路面使用性能、通行能力等產生直
接的影響。筆者根據上文路基沉降計算結果，并結合多年
工程實踐經驗，總結了公路路基沉降常用的防治措施，具
體如下。
路基沉降預防措施可分設計階段和施工階段制訂。在
設計階段，應加強野外勘察，充分收集公路沿線地質資料，
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，可開挖臺階來提高路基的整體穩定性，減小路基
沉降。在施工階段，應在施工前做好路基兩側排水，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，確保填料達到最佳壓實度，并在路基填
筑完成后對其壓實度進行檢測，如不滿足規范要求，要及
時整改。此外，對于特殊巖土區域（如軟土、巖溶等）的
路基，應當先處治特殊地質，再進行路基的施工。
3 不均勻沉降對路面結構的影響
由上文可知，舊路基加寬后的沉降變形主要呈中減小、
兩側大的趨勢。路基不同位置與老路中心的差異沉降 δ 可
采用正弦三角函數計算，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 為沉降計算點距老路基中心的距離。
在分析路面結構的應力時可將新老路基的差異沉降當
作路面邊界條件。有限元軟件ANSYS計算出的不同差異沉
降值下路面結構層最大彎拉應力的變化如圖 3所示。
圖 3 路面結構的最大彎拉應力
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，導致路面結構的彎拉應力不斷
提高（彎拉應力最大值為0.55MPa），且兩者之間基本呈線
性正相關變化趨勢。當新老路基間差異沉降從3cm增加至
12cm時，路面結構的最大彎拉應力增長了120%，這說明不
均勻沉降對路面結構層的影響十分明顯，且不均勻沉降最
大位置對于路面結構層而言也是最容易破壞的位置。
4 結論
文章以某公路改擴建工程為例，對新老路基間的沉降
變形規律及其對路面結構應力的影響進行了研究，主要得
到了以下結論：（1）Druker-Prager模型用于路基沉降計算
時可以考慮填土的抗壓強度，彌補了摩爾-庫侖理論在節
點處不連續的缺陷；（2）老路中心附近容易受到新路基側向
擠壓而隆起，易產生拉應變；（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構層彎拉應力最大，
應加強處治。
參考文獻：
[1] 張春濤.高填方路基不均勻沉降的機理分析及防治措施[J].公
路交通科技(應用技術版),2018,14(8):112-113.
[2] 曾志兵.公路路基路面不均勻沉降的成因及預防措施[J].中國
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[3] 王緒茂.路橋過渡段路基路面設計要點及沉降處理措施[J].工
程技術研究,2020,5(4):234-235.
作者簡介：孫瑞，男，碩士，工程師，研究方向為道路設計。

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