弱膨胀土填筑高速公路拓宽工程的沉降特性与控制方法

《Applied Sciences》：Settlement Characteristics and Control Methods for Highway Widening Using Weak Expansive Soil Senwei Wang, Chuan Wang, Weimin Yang, Chuanyi Ma, Meixia Wang, Xianglong Meng and Jian Gao

　　

在高速公路拓宽工程中，季节性地下水波动下弱膨胀土填筑料的干湿循环效应会加剧差异沉降。本研究基于重新开发的数值方法和实际工程项目，建立了弱膨胀土拓宽道路的三维数值模型。通过多情景数值模拟，明确了拓宽方式、道路高度及水位对差异沉降的影响规律与权重因子。以6 cm和12 cm为阈值界定差异沉降的三个安全等级，并建立了基于支持向量机（SVM）的预测模型，以确定不同差异沉降边界下关键参数的联合阈值限值。对比评估了换填砂、隔水层及导水土工布的控制效果：换填砂平均可降低差异沉降约70%，适用于所有场景；隔水层可降低沉降约50%，更适用于双侧拓宽或低填方单侧拓宽；导水土工布不适用于高水位区域的差异沉降控制。基于工程需求提出了不同条件下的控制方法选择原则，并通过现场试验验证了所提方案的有效性。

## 研究背景与问题提出

随着交通量持续增长和车辆荷载不断增加，部分高速公路的通行能力和承载性能已难以满足经济社会发展需求，因此既有高速公路的拓宽升级成为提升路网效率、保障行车安全的关键途径。在高速公路拓宽工程中，新旧路基之间的差异沉降是影响路面结构性能与长期服役安全的关键因素。膨胀土是一种在工程中广泛分布的特殊土类，具有遇水膨胀、失水收缩的工程特性，可能对工程建设构成显著风险。由于高速公路拓宽工程多位于经济发达、人口密集区域，部分地区可能采用弱膨胀土（自由膨胀率40%~65%）作为路基填筑材料。当拓宽路段的路基填筑料为对水分变化敏感的弱膨胀土，且存在季节性地下水位波动时，干湿循环效应将加剧填筑料的累积变形与力学性能劣化，使差异沉降的形成机理与控制变得更为复杂。目前，针对地下水位波动条件下弱膨胀土填筑料长期性能的研究，尤其是拓宽路基差异沉降的主控因素，尚存在不足。现有标准和实践也缺乏同时考虑土体水分循环与水文条件耦合作用的高速公路拓宽差异沉降分析框架。因此，识别弱膨胀土拓宽道路差异沉降的主控因素并提出针对性的经济型沉降控制措施，具有重要的理论与工程价值。

## 研究方法与模型建立

研究人员以荣乌高速威海至烟台段改扩建工程为依托，针对季节性地下水位波动条件下弱膨胀土拓宽路基的差异沉降问题开展研究。该研究区域属温带季风气候，6月至8月降雨集中，占全年降水量的53%；地下水位较高，沿线多个监测点地下水埋深小于0.5 m，一般在0.5~5 m之间，2022年威海市和烟台市平均最低水位分别为3.23 m和6.05 m，平均最高水位分别为1.73 m和3.38 m，季节性水位波动幅度分别为1.5 m和2.59 m。

为揭示路基沉降机理与控制效果，研究人员开发了实用数值模型。该模型假设孔隙气压恒定，采用三轴剪切试验数据，基于非饱和土应力-应变本构方程，考虑孔隙气压力（u_a）和孔隙水压力（u_w），引入弹性模量（E）和吸力应力弹性模量（H），建立应变计算公式。为模拟不同水力路径下耦合干湿循环的土体变形，将弹性模量E和膨胀系数β表示为竖向应力（σ_z）、干湿循环幅度（A）、循环次数（N）及饱和度（S）的函数。该本构框架通过ABAQUS 2020实现，采用研究团队前期建立的修正Duncan-Zhang模型计算E，并编制为UMAT子程序；利用UEXPAND子程序模拟弱膨胀土的胀缩变形；基于GRU（门控循环单元）方法建立β的机器学
根据荣乌高速设计文件，拓宽方式分为单侧拓宽（路面宽度11.5 m）和双侧拓宽（路面宽度5.75 m）。几何模型自上而下包括路面结构、路基、路堤、垫层和地基，路面和路基厚度均为0.8 m，路堤边坡坡比1:1.5，旧路堤台阶开挖坡比1:0.2。为充分揭示拓宽道路长期变形特征，地基水平向和竖向分别延伸50 m和20 m。研究考虑拓宽方式、道路高度（2.4~4.8 m）和地下水位（最高水位与最低水位埋深）三个影响因素，采用八节点六面体单元（C3D8P）进行数值模拟。

## 研究结果

### 拓宽方式对差异沉降的影响

拓宽方式对差异沉降影响显著。单侧拓宽产生较高的差异沉降，大多在5~30 cm范围内；双侧拓宽显著降低差异沉降，多数值低于10 cm。当道路高度为4.8 m、地下水位在0~4 m时，单侧与双侧拓宽的沉降差值达到最大，为17.8 cm。双侧拓宽将对称附加荷载分布于既有路基两侧，降低了应力集中，有效缓解了差异沉降。

### 道路高度对差异沉降的影响

总体而言，道路高度越高，差异沉降越大。但在双侧拓宽条件下，当道路高度从2.4 m增至4.8 m时，部分场景下差异沉降先增大后减小，这是因为较高路基的荷载分布范围更广，降低了应力集中。而单侧拓宽时，较小比例的荷载传递至既有路基，道路高度增加通常直接导致更大的沉降变形。

### 地下水位对差异沉降的影响

差异沉降随最高和最低水位埋深的减小（即水位上升）而增大。当最高水位达到0 m（水位位于路基底部）时，差异沉降可超过30 cm；而最高水位埋深4 m时，差异沉降降至约5 cm。最高水位变化对沉降的影响显著大于最低水位。较高地下水位增加了填筑料含水率，放大了弱膨胀土的干湿循环，导致更高的累积变形。

### 多因素综合分析

无水位变化时，新旧路基之间仍存在差异沉降，最大沉降出现在结合部。当地下水位在0~2 m或0~5 m波动时，差异沉降机制发生变化，最大沉降从结合部转移至新路基路肩。弱膨胀土在反复干湿循环下的劣化和累积变形使新旧路基差异沉降最终增大。当水位在4~5 m波动时，沉降变形模式与无水位变化类似，地下水对路基含水量变化影响较小。通过随机森林回归模型和SHAP（SHapley Additive exPlanations）可解释性方法进行特征重要性分析，各因素影响权重从高到低依次为：拓宽方式（41.5%）、道路高度（31.4%）、水位波动范围（12.9%）、最高水位（12.1%）和最低水位（2.1%）。

### 安全等级分类与工程参数反演

研究以6 cm和12 cm作为差异沉降控制的上下限阈值，对应坡度比分别为0.17%和0.35%，将差异沉降分为三个等级：Ⅰ级（<6 cm）结构良好；Ⅱ级（6~12 cm）需采取措施；Ⅲ级（>12 cm）需多种方法联合处理。研究提出数据驱动与智能搜索融合的反演分析框架，采用支持向量机（SVM）算法建立影响因素与差异沉降值的映射关系，结合Bootstrap模型优化反演过程，生成50个独立SVM模型组成集成人，以预测均值和标准差评估不确定性，90%预测区间由第5和第95百分位定义。反演结果给出了不同条件下关键参数的阈值组合。

### 路基劣化控制方法及沉降控制效果

研究选取换填砂土、铺设隔水层和使用导水土工布三种典型措施进行对比分析。干湿循环试验表明，砂土在循环条件下强度和黏聚力劣化较小，变形（竖向高度变化）在不同含水率下均低于2%，多次循环后累积变形小于1%，是优异的替代填筑材料。毛细水上升对比试验显示，砂垫层能有效阻断毛细水，但60天后毛细水可上升至垫层以上22 cm；水泥稳定土和石灰稳定土垫层可延缓毛细水上升；碎石垫层最终毛细水上升高度约10 cm。值得注意的是，垫层主要解决地下毛细水上升，无法阻止降雨或新旧路基间的水分迁移，土体仍会经历一定程度的干湿循环。

导水土工布的研究通过COMSOL Multiphysics 6.3建立土-土工布相互作用数值模型。结果表明，随着土工布埋宽增加，毛细水区侧向分布范围显著扩大，形成弧形湿润区；但土工布排水能力受限于暴露部分的蒸发速率和水平渗透系数，内部土体含水率受影响较小。当土工布位于地下水位以上0.6~3.6 m时，无法将上部土体含水率控制在塑限以下。鉴于地下水位低于3.5 m时弱膨胀土路基差异沉降很小且满足安全要求，导水土工布在高水位区域的毛细水控制效果有限，研究后续不再考虑该措施。

基于上述措施对新填路堤性能或湿度场的影响，进一步模拟了考虑控制措施的拓宽路堤差异沉降。结果表明：换填砂土效果优于隔水层，在不同工况下分别平均降低差异沉降50%和70%。双侧拓宽时，两种方法均能将差异沉降降至6 cm以下；单侧拓宽时，换填砂土可将差异沉降降至6 cm以下，而隔水层仅对较低填方路段部分有效。对于运行在12 cm上限的组合，即使采用隔水层，沉降仍介于6~12 cm之间。

### 工程应用验证

研究在荣乌高速威海至烟台段K121+400处双侧拓宽段开展工程应用。该路段道路高度4.5 m，勘察期地下水埋深1.71 m，水位波动范围约3 m。根据研究预测，差异沉降为8.3 cm，超过6 cm控制标准。按照控制方案，采用CFG桩（水泥粉煤灰碎石桩）处理软土地基后，铺设40 cm厚碎石垫层隔离毛细水效应。施工后对新路床含水率和路肩沉降进行监测，监测点位于距道路中心线13 m、路面以下2.5 m和3 m深度处。结果显示，工后沉降控制良好，路肩沉降约1.83 cm；新路床含水率先降后升，长期含水率略高于填筑时，未受地下水强烈毛细作用影响；路肩沉降微小且未随水位变化显著波动，验证了控制方法在弱膨胀土拓宽路基湿度、沉降及差异沉降控制中的有效性。

## 讨论

研究所提方法可推广至其他相关工程，但需重新测试代表性土样并更新本构模型参数。研究针对高水位地区地下水位变化进行分析，未考虑降雨或大气条件等因素，属于湿度场的简化模拟，该假设适用于拓宽工程长期变形预测，但对于膨胀土边坡稳定性与变形分析等其他应用需重新考虑。

拓宽方式，特别是拓宽宽度，对弱膨胀土拓宽道路差异沉降影响最为显著，应优先选择双侧拓宽。道路高度越高、地下水位越高及水位波动范围越大，弱膨胀土填筑拓宽路基的差异沉降问题越需关注。使用弱膨胀土填筑时，压实初期可将填筑料含水率控制在16%左右以减少工后变形。控制方法选择原则如下：双侧拓宽时，最高地下水位埋深超过2.5 m或道路高度小于3 m时，可直接使用弱膨胀土填筑而不需额外处理，其他条件采用隔水层或换填砂处理；单侧拓宽时，最高地下水位埋深小于3.5 m或道路高度小于2 m时可直接使用，其他条件优先换填砂，对低填方、大地下水埋深路段可考虑隔水层。从经济性角度，碎石隔水层价格约12美元/平方米（40 cm厚），而填方用土因运距因素成本变动较大（近源约3美元/立方米，远源超6美元/立方米），填方量大、路堤高时换填砂成本更高。实际工程中应首先评估控制方法能否满足不同条件下的差异沉降控制标准，在多种方法满足要求时再结合具体情况考虑施工成本。

## 研究结论

（1）路堤拓宽方式和高度是比地下水位更为关键的控制因素。单侧拓宽引起的差异沉降显著大于双侧拓宽；增加路堤高度通常会放大沉降，但双侧拓宽中因荷载分布范围扩大可能出现沉降先增后降的现象。在地下水位因素中，最高水位埋深对差异沉降的影响远大于最低水位。

（2）建立了基于差异沉降的安全分级体系和参数阈值：以6 cm和12 cm为阈值将安全等级分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类。通过基于支持向量机的反演分析，获得了不同条件下的关键控制参数阈值：双侧拓宽时，若路堤高度<3 m或最高地下水位埋深>2.5 m，差异沉降<6 cm，可直接采用弱膨胀土填筑；单侧拓宽时，差异沉降<6 cm需满足路堤高度<2 m或最高地下水位埋深>3.5 m。

（3）量化了不同控制措施的工程效果并明确其适用条件。换填砂土平均可降低差异沉降约70%，适用于所有条件；增设隔水层平均可降低约50%，更适用于双侧拓宽或低填方单侧拓宽条件。导水土工布在高水位区域控制毛细水的效果有限。

（4）提出了控制方法选择原则。双侧拓宽工程中，最高地下水位埋深>2.5 m或路堤高度<3 m时可采用弱膨胀土直接填筑，否则采用隔水层或换填处理。单侧拓宽工程中一般优先选择换填，仅对特定低填方条件可考虑隔水层。在荣乌高速某双侧拓宽段（道路高度4.5 m，地下水位埋深1.71 m）的研究成果应用表明，采用碎石隔水层处理后工后沉降和湿度得到有效控制，验证了方案的有效性。