路基拓寬段差異沉降數值模擬*

柳 偉 席強偉

(1.華東交通大學土木建筑學院 南昌 330013; 2.江西交通職業技術學院建筑工程系 南昌 330013)

伴隨著我國經濟持續快速發展，越來越多的公路需要進行改擴建。由于新老路基填筑時間不同，它們之間往往會產生一定的差異沉降。周文[1]指出這種不均勻沉降是導致路基、路面病害發生的重要原因。

為解決此類問題，國內外學者進行了相關的研究，鄧松等[2]研究了道路擴建工程中路堤拼接部的力學特性。楊濤等[3]采用二維非線性有限元法，對軟土地基上拓寬路堤的土工格柵加筋作用和效果進行了模擬分析。王景環等[4]采用有限元參數分析方法，對路堤填筑材料物理參數對新老路堤變形特性的影響進行了研究。葉紅英等[5]利用三維有限元方法進行三維固結計算，模擬路基擴建工程的地基變形。王家全等[6-7]對土工格室處治高填方新舊路堤進行了現場試驗，研究了格室的處治效果。

本文研究紅黏土地區道路拓寬后新老路基的差異沉降問題，采用FLAC3D進行數值模擬分析，研究了多種因素對路堤加固的效果，為新老路基的設計和施工提供參考依據。

1 數值模型的建立

1.1 工程背景

江西某高速路段由于交通量的逐年增長，原有道路等級已不滿足交通需求，需對老路進行擴建。新、老路基的邊坡坡度均為1∶1.5，采用自上而下式的臺階開挖方式，臺階尺寸設計為1 m(高)×1.5 m(寬)，見圖1。模型的中心點為A點，老路基中心點(老路基沉降觀測點)為B點，新路基中心點(新路基沉降觀測點)為C點，加載位置水平向為2個相同的荷載分布區域，分別是以A為起點6～8 m處，即a～b，18～20 m處，即c～d段，縱向沿行車方向滿鋪在計算模型上。老路基總寬度為26 m，兩側拓寬寬度均為8.25 m，路面結構層為碎石墊層和瀝青面層。拼接處的剖面圖見圖2。

圖1 加載平面圖(單位：m)

圖2 新老路基拼接剖面(單位：m)

1.2 模型的建立

由于道路的對稱性，選用路堤的1/2進行分析，設定計算模型的坐標系原點O為地基表面和模型對稱軸的交點，水平向右為X軸，豎直向上為Z軸。在Z軸方向上，選取路面以下25 m(路面結構1 m，路基高度4 m，地基厚度20 m)作為本次模擬的計算范圍；在X軸方向上，以路基中線為起點向側邊延伸35 m作為本次模擬的計算范圍，根據FLAC3D軟件進行分析。臺階開挖后的網格模型見圖3，新老路基拼接后的網格模型見圖4。

圖3 臺階開挖后的網格模型

圖4 新老路基拼接后的網格模型

1.3 計算參數

根據工程勘察報告及相關資料，新老地基土層分為2層：第1層為8 m厚紅黏土；第2層為12 m厚微風化巖石。紅黏土、微風化巖石及路堤填土均采用Mohr-Coulomb模型來模擬。Mohr-Coulomb塑性模型主要適用于在單調荷載下,以顆粒結構為特征的材料,如土壤。它與率變化無關，并假設材料是初始各向同性的。路面結構層為均質、連續、各向同性的線彈性體，土工格柵的本構關系簡化為線彈性。地基和路基各土層的物理力學參數見表1。

表1 各結構層的物理參數

原有路基和地基在長期荷載和自然環境作用下，沉降基本趨于穩定。 地下水位為地面以下2 m,先進行地應力平衡，生成初始應力場。對原有路基邊坡開挖臺階，設定各土層的物理力學參數，并施加荷載進行計算。在計算過程中設定相應的應力和位移跟蹤點，以模型中A點為起點，向右依次為：0，2，4，6，8，10，12，14，16，18，20，21 m，記錄沉降數值。模擬計算的邊界條件如下。

1) 由于對稱性，在x=0 m處，水平位移為0；在x=35 m平面上，由于距離荷載較遠，假設荷載在該平面上不引起位移，因此在x=35 m平面上水平位移為0。

2) 假設微風化巖石底部沒有豎向位移，即在z=-25 m平面上w=0。

2 計算結果及分析

2.1 加筋與不加筋比較

為研究鋪設格柵和不鋪設格柵對新老路基差異沉降的影響，考慮加格柵和不加格柵的2種方案。圖5給出了填筑高度為4 m時，加格柵和不加格柵的路基表面沉降曲線，比較可以得出，不加筋時，新老路基的差異沉降為7.01 cm，加筋后，新老路基的差異沉降減小5.56 cm，減小了33.5%，說明土工格柵對減少路基沉降有一定作用。通常情況下，作為加筋體存在于高等級公路拓寬工程中的土工合成材料對拓寬路基有積極影響，其中包括提高地基承載力，增強地基土的約束力，減小水平位移，從而使路基的不均勻沉降減小，大大提高拓寬路基的整體性。

圖5 拓寬路基沉降曲線圖

2.2 路堤填筑高度的影響

在進行公路拓寬擴建工程中，路基高度的大小直接影響著路基和地基變形的大小，為研究不同路堤高度對拓寬路基沉降的影響，分別選取路堤高度為2，4和6 m進行模擬，從而分析比較差異沉降。填筑高度對拓寬路基沉降的影響見圖6，新老路基差異沉降與填筑高度關系曲線見圖7。

圖6 填筑高度對拓寬路基沉降的影響

圖7 新老路基差異沉降與填筑高度關系曲線

由圖6可見，拓寬路基的差異沉降隨著填筑高度的增加而增加。當路基高度為2 m時，最大的差異沉降為2.63 cm；當填筑高度為4 m時，最大的差異沉降為6.58 cm；當填筑高度為6 m時，最大的差異沉降為8.81 cm。

由圖7可見，對于新路基和老路基，填筑高度越小，新、老路基的差異沉降越小。這是因為填筑高度越小，新路基對老路基的影響就越小，從而老路基的附加應力就越小。因此，在滿足最小路堤高度的前提下，減少路堤高度可有效減少新老路基差異沉降。

2.3 格柵層數的影響

為分析不同土工格柵層數對差異沉降的影響，選用3種情況進行對比，分別為：1層土工格柵(位于地基表面)，2層土工格柵(1層位于地基表面，1層位于路基表面)，3層土工格柵(1層位于地表，1層位于路基中部，1層位于路基表面)。對不同的格柵鋪設方式，間距越大，格柵所承受的荷載就越大，拉力就越大。格柵鋪設的層數與新路基中心點沉降關系見圖8，可以看出格柵層數的增加對新老路基的差異沉降的減少效果不是很明顯。分別在路基表面和地基表面鋪設格柵可有效地減少新、老路基的差異沉降，隨著土工格柵的層數增加，效果會慢慢減弱，所以應該合理設置土工格柵的層數，以達到最優的效果。

圖8 土工格柵層數對拓寬路基沉降的影響

2.4 格柵彈性模量的影響

圖9為土工格柵模量不同時拓寬路基沉降曲線。

圖9 不同土工格柵模量下拓寬路基沉降曲線

由圖9可見，沉降量隨著距老路基中心點的距離增大，先增大后減?。煌貙捖坊牟町惓两狄搽S著土工格柵的彈性模量的增加而減少，但是彈性模量從3 000 MPa增加至7 000 MPa，對新老路基的差異沉降效果不太明顯?？梢钥闯?，在鋪設格柵的左側老路基部分的沉降基本相同，新路基部分隨著格柵彈性模量的增加，其沉降有效減少。

2.5 路堤填筑寬度的影響

圖10為拓寬道路寬度對拓寬路基沉降的影響，分別選取拓寬寬度為8.25，10.25，12.25 m 3種情況進行分析計算。由圖10可見，隨著拓寬寬度的增加，路基沉降有明顯的增加，路基填筑寬度加劇了新老路基之間的差異沉降。拓寬寬度從8.25～12.25 m，路基最大沉降的位置有向外側移動的趨勢。在滿足最小拓寬寬度的前提下，控制路基的拓寬對路基變形、差異沉降的減少能夠起到重要作用。

圖10 拓寬寬度對拓寬路基沉降的影響

3 結論

1) 在新老路基拼接處設置土工格柵，可以有效地減小新老路基間的差異沉降。土工格柵能夠擴散豎直作用在地基上的應力，減小不均勻沉降，提高拓寬路基的整體性。

2) 填筑高度從2 m增加到6 m時，路基差異沉降有明顯的增加。這是由于隨著填筑高度增加，自重應力必然隨之增加，加劇了不均勻沉降。

3) 在路基拓寬工程中，增加土工格柵層數對拓寬路基的影響效果會慢慢減弱，應合理設置土工格柵的層數，節約造價。

4) 隨著土工格柵彈性模量的增加，拓寬路基的差異沉降減少，老路基的沉降基本保持不變。

[1] 周文.新老路基強度不均勻性對拓寬路面結構影響分析[J].公路工程,2009,34(5):67-74.

[2] 鄧松,李方超,姚波.道路擴建工程中路堤拼接部力學特性研究[J].交通科技,2016(2):99-102.

[3] 楊濤,楊錦忠,石磊,等.土工格柵加筋拓寬路堤有限元分析[J].土木工程學報,2011,34(增刊2):37-40.

[4] 王景環,盧義玉,郭建強,等.高速公路拓寬工程中填筑材料對新老路堤變形特性的影響[J].中南大學學報(自然科學版),2013,44(2):726-731.

[5] 葉紅英,張再武,張藝.軟土地基上高速公路擴建工程的三維有限元模擬[J].交通科技,2017(2):25-27.

[6] 王家全,周健,叢林,等.高填方加筋新舊路堤現場試驗與數值模擬分析[J].巖石力學與工程學報,2010,29(增刊1):2943-2950.

[7] 傅珍,王選倉,李宏志,等.路面結構參數對拓寬道路附加應力的影響[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2008,32(6):1117-1120.