老路改建中路基加寬處不均勻沉降有限元研究

董耀群

天津城建設計院有限公司，天津市300122）

老路改建中路基加寬處不均勻沉降有限元研究

董耀群

天津城建設計院有限公司，天津市300122）

道路拓寬中新舊路基產生的不均勻沉降是導致路面產生縱向裂縫的主要因素。對此，首先分析了不均勻沉降產生的原因，并運用有限元軟件ANSYS建立了道路拓寬處仿真模型。計算結果表明，土工格柵在處理新舊路基沉降中具有明顯的作用，為舊路拓寬工程中不均勻沉降的處治提供了參考。

老路改建；不均勻沉降；有限元軟件ANSYS

0　前言

近年來，隨著我國經濟的快速發展，許多上世紀八、九十年代修建的道路已無法滿足交通量日益增長的需要，進入了改建或擴建階段。道路拓寬處路基的不均勻沉降在路面結構內引起的附加應力可造成路面早期破壞，影響改建后路面的使用質量和使用壽命，甚至危及行車安全。因此，如何準確、系統地計算舊路拓寬處的差異沉降，并采取合理的處治措施勢在必行。

1　原因分析

舊路拓寬處不均勻沉降產生的原因可分為以下幾點。

1.1人為方面的原因

新老路基拓寬部位是施工的薄弱環節。該部位施工工藝復雜、施工難度大，經常會發生不符合設計要求的現象，如拼寬部位路基壓實度不滿足要求、不按照要求布設土工格柵、或格柵質量不滿足要求等等。由于施工質量控制不嚴或施工工藝操作不規范等各種人為因素使得拼寬部位更容易成為薄弱點，加重了新老路基的不均勻沉降。

1.2新舊路基的工程地質條件發生了變化

老路經過多年的運營，其沉降已基本完成，加寬部分雖然經過碾壓到達規范要求的壓實度，但加寬部分與老路的固結沉降程度不一致，作用在加寬部分的車輛荷載產生的附加應力必然引起現有道路的附加沉降，從而產生新舊路基的不均勻沉降。

1.3路基填料性質的不同

由于車輛載重的不斷增加，新建的路面結構也越來越厚，加寬部分的路面結構往往與老路結構厚度不一致，由于新施工工藝、施工材料的不斷出現及老路強度在使用過程中的不斷衰減，新舊道路的結構強度也不一致，使得新舊道路產生的沉降也不一致。

1.4老路拓寬設計理論尚不完善

目前，對于老路加寬的理論研究較少，新老路基拓寬后的不均勻沉降研究尚不成熟，在實際設計中往往根據設計者的個人經驗，具有一定的盲目性，經常需要通車一段時間后方能檢驗設計方法的有效性。由于各項目具有一定的差異性，因此，現有設計經驗難以大面積地指導道路拓寬項目施工。

2　有限元模型的建立

近年來，通過國內外科研工作者的不懈努力，涌現出了一系列的老路拓寬工程不均勻沉降處理方法，如在加寬臺階處鋪設土工格柵、土工格室、加寬部分使用輕質材料、加寬部分采用強夯等等。其中，土工格柵具有強度高、穩定性好、造價低、施工方便等優點，在多個老路拓寬項目中使用效果良好。但目前對于土工格柵鋪設的寬度、鋪設層位及鋪設的層數尚沒有統一的標準，因此本文利用有限元軟件ANSYS對老路拓寬處進行仿真模擬，對上述工況下各參數變化時的沉降量進行對比分析。

2.1基本假設及邊界條件

在實際分析過程中，為計算方便，在保證準確性的前提下常做出如下假設：

（1）路面結構各層組成材料各向同性，土體均質連續；

（2）行車荷載在拼寬處按照均布荷載等效換算，結構自重等效為力與行車荷載一起作用；

（3）老路拓寬時固結沉降在多年的運行中已完成；

（4）各結構層層間接觸面完全連續；

（5）根據結構的對稱性，取老路及拓寬后路基的一半作為研究對象；

（6）計算中考慮路面結構自重；

（7）左右邊界為豎向無約束、橫向固定。

2.2模型尺寸及材料參數

（1）研究對象為4車道高速公路，路基寬度為27.0 m，老路路堤填方邊坡坡高4.0m，新老路邊坡坡率均為1：1.5，模擬4車道改8車道，每邊加寬按照8.0m計算。

（2）行車荷載采用現行規范規定的標準軸載BZZ-100 kN，輪胎內氣壓為0.7 MPa，將荷載的作用面簡化為正方形，其面積為27 cm×27 cm。

（3）新老路拼接處采用開挖臺階，路床部分臺階高0.8 m，寬1.20 m，路堤部分臺階高1.0 m，寬1.5 m，在最底層臺階滿鋪土工格柵以減小不均勻沉降和防止縱向開裂。

（4）為保證土工格柵在路堤上處于同一平面，各臺階水平方向設置內傾2%斜坡，豎向均垂直開挖。土工格柵鋪設方向與路線方向垂直，沿行車方向搭接寬度大于20 cm，橫向采用固定間距不大于30 m鉛絲綁扎，周邊及縱向搭接采用U型釘固定，U型釘采用6 mm鋼筋彎制成，其固定間距不大于1.0 m。

（5）各結構層參數如表1所列。

表1　計算參數表

以下研究均以表1的參數為基本模型，分別對單一參數變化時的模型進行研究。

3　有限元計算結果分析

3.1填土高度不同時加寬處沉降分析

道路受到地形、地質、排水及洪水位等因素影響，會有一定的縱坡，因此，路堤填土的高度也不盡相同，相關研究表明：填土高度是影響加寬處不均勻沉降的主要因素。

該項目沉降分析選取路堤填土高度2 m、4 m、6 m、8 m時為研究對象，對加寬處的沉降量進行有限元計算，計算結果繪于圖1。

從圖1可以看出，路堤填土高度不同時，路堤表面的沉降均隨著路堤填土高度的增加而增加。

圖1　路堤填方不同高度時路堤表面不均勻沉降計算結果曲線圖

當路堤填方高度分別為2 m，4 m，6 m，8 m時，施工末期加寬處的最大沉降分別為9.35 cm、10.36 cm、12.12 cm、19.08 cm，工后15a加寬處最大沉降分別為17.69 cm、17.86 cm、26.13 cm、40.36 cm。與填土高度為8 m相比，路堤填方高度分別為2 m，4 m，6 m時沉降分別減少了50.9%、45.7%、36.5%。由此可見，路堤填土高度增加時，設置土工格柵能減小工后沉降，且路堤填土高度越小，格柵減小沉降的作用越明顯。

當路堤填土高度大于4 m時，雖然加寬處設置了土工格柵，但由于僅在底部設置一層，工后沉降量仍然超過了加寬路堤的沉降量臨界容許值。由此可見，雖然土工格柵在減小新舊路堤加寬的不均勻沉降方面作用明顯，但隨著路堤填土高度的增加，特別是，當路堤填土高度大于4 m時，不均勻沉降隨著填土高度的增加仍然增加較快。而土工格柵在一定程度減小了不均勻沉降，但仍不足以抵消填土高度增加帶來的沉降量。由此可見，僅設置一層土工格柵的功能是有限的，需要增加格柵的層數來減小不均勻沉降。

3.2加寬寬度不同時加寬處沉降分析

按照本文前述參數，分別模擬4車道改6車道、8車道、10車道，道路兩側加寬寬度分別為4 m、8 m、12 m，填土高度按照4.0 m進行有限元仿真模擬，施工末期和工后15a的計算結果繪于圖2。

圖2　加寬寬度不同時路堤不均勻沉降計算結果曲線圖

由圖2可知，加寬寬度為4 m、8 m、12 m時，設置土工格柵時施工末期的最大沉降量分別為7.09c m、16.39 cm和23.76 cm，工后15 a設置土工格柵最大沉降量分別為18.56 cm、28.86 cm和34.82 cm。與加寬寬度為12m相比，加寬寬度分別為4 m，8 m時沉降分別減少了70.2%、31.0%。

由上述分析可知，沉降量均隨著拓寬寬度的增加而增加，但設置土工格柵后均在一定程度上減少了新路基的沉降量。

3.3土工格柵布設位置不同時的沉降分析

現行設計對土工格柵鋪設的位置尚沒有明確的計算依據。本文上述研究也均基于在路基底部第一層臺階滿鋪土工格柵。因此，本節通過對土工格柵設置不同位置時的路基沉降研究，找出格柵設置的合理位置。

以基本模型參數為依據，不同格柵布設位置時的路基沉降計算如圖3所示。從圖3中可以看出，格柵設置在哪一層臺階處均可以減小路基的沉降量，但與其他位置相比，設置于底部第一層臺階時路基的沉降量減少最多，分別為12.6%、19.6%、27.0%和31.1%。因此，在滿足路基穩定性的前提下，路基加寬在第一層臺階設置土工格柵的效果最好。

圖3　格柵布設位置不同時的路堤不均勻沉降計算結果曲線圖

分析其原因，在底部第一層臺階處鋪設土工格柵可以分散填土荷載，增加新舊路基的剛度模量，在較大程度上保持了基地的連續性，改善了基地的不均勻受力狀況，使得荷載的分布較為均勻，在很大程度上減小了不均勻沉降量。

上述計算僅考慮了施工期間的土體和路面結構的自重產生的沉降。在道路的實際運營中，還需要承受車輛荷載產生的各種應力，僅在底部第一層臺階設置格柵，很容易引起路基頂部不均勻荷載產生的裂縫，并最終反射到瀝青面層上，從而產生面層的縱縫，影響道路的美觀和使用壽命。相關的計算結果同樣表明，格柵位于第一層臺階時的拉應力較大，因此，在路基頂部設置格柵也是必要的，且可在一定程度上減小不均勻沉降。

對此，本文建議對一般填方路基設置兩層土工格柵，既可以減小不均勻沉降，又可以防止由于不均勻沉降引起的縱向裂縫。

4　結論

通過本文的計算分析可以得出以下結論：

（1）路基加寬后的沉降隨著路堤填土高度的增加而增加；

（2）路基加寬后的沉降隨著加寬寬度的增加而增加；

（3）土工格柵的設置在路基底部第一層臺階的效果最好。

U418.8

B

1009-7716（2015）05-0035-03

2015-03-02

董耀群（1982-），女，天津人，碩士研究生，工程師，從事道路工程設計工作。