高速公路拓寬段路基填土參數變化下的力學行為分析

陳 超

（新疆交通科學研究院，烏魯木齊 830001）

1 引言

近些年隨著我國社會經濟的快速發展, 高速公路原有的設計通行能力已經不能滿足日益增長的交通需求。為了滿足交通量的需求和提高高速公路服務水平, 亟需對原有高速公路進行拓寬改建。 高速公路改擴建工程由于新老路基填土固結程度不同, 將會導致新老路基產生差異沉降和損傷應力, 繼而反映在路基頂面造成路面的病害,嚴重影響道路的使用性能。 尤其當拓寬路基直接修筑于未經處治的天然地基上時, 新老路基差異沉降與損傷應力更加明顯。 相關文獻對新老路 基拼接中差異沉降的機理和影響因素進行了研究。 范紅英等利用有限元研究了高速公路加寬方式對沉降的影響[1]；陳磊,章定文等對高速公路加寬過程中的沉降規律、 變形特點進行了分析[2-4]；傅珍、閆強等對高速公路路基差異沉降標準進行了研究[5-7]。以上學者對高速公路差異沉降的拓寬方式、影響因素、沉降規律、沉降標準進行了系統研究,但對于高速公路改擴建工程中不同路基填土參數下的力學行為缺乏深入研究。 因此,本文針對不同路基填土參數下的拓寬路基,采用有限元軟件進行數值模擬分析,研究總結了不同路基填土參數下拓寬路基的豎向位移、水平位移、豎向應力與剪應力的變化規律, 以期為高速公路拓寬路基的研究與施工提供參考。

2 模型建立

采用有限元計算分析軟件對高速公路拓寬路基進行數值模擬分析時,不需要取結構無限大尺寸,在實際處理這類問題時,通常是在保證計算精度的前提下,對結構取其有限合理尺寸。本模型設計計算中所取的結構尺寸為：原道路寬度為26m,邊坡坡率1:1.5,土基高度30m,兩側對稱拓寬, 新路基與老路基結合處采用臺階咬合的方式進行搭接,臺階寬1m,高度0.6m。 本文建立模型時選取實際道路模型的一半進行分析計算, 拓寬前后路基計算模型及網格劃分如圖1、圖2 所示。

圖1 拓寬路基幾何尺寸圖

圖2 計算模型網格劃分

2.1 基本假定

(1)路基土與地基土均為理想彈塑性體,各向同性且均勻分布。

(2)老路與地基固結變形已經完成,老路與拓寬新路結合處不發生相對脫離和滑移。

(3)路基與地基各結構層界面處置良好,為完全連續接觸狀態,不考慮溫度對路基路面應力分布的影響。

(4)對模型進行建立、劃分單元時采用板體SOLID-45單元, 空間8 節點等參元, 本構模型選用擴展的線性Drucker-Prager 模型。

(5)采用雙側拓寬方式拓寬,新拓寬部分以原路中心線為中心,對稱布置在原路兩側,根據道路結構的對稱性,取半幅道路作為研究對象。

2.2 計算參數

路基材料的性質直接影響路基力學計算分析結果,通過對高速公路天然地基改擴建工程上新老地基土的勘探、室內試驗的結果以及參照相關工程地質文獻,最后選取路基參數包括重度、模量、粘聚力、內摩擦角和泊松比等,具體參數如表1 所示。

表1 計算參數

3 不同土基填土參數下力學行為分析

考慮到高速公路改擴建工程中沿線路基填土的土質彈性模量差異較大,從最小的20MPa 到最高的50MPa 左右, 為了準確的模擬路基填土彈性模量對高速公路改擴建過程中差異沉降的影響, 現分別取20MPa、30MPa、40MPa 和50MPa 等4 種彈性模量的路基填土進行計算分析。 表2 為不同路基填土參數變化下拓寬段的位移與應力值。

3.1 不同路基填土參數下路基豎向位移分析

由表2 和圖3～圖4 可以看出, 在拓寬路基高度和寬度為定值時,隨著路基填土彈性模量的增加,新舊路基豎向沉降在逐漸減小。 當路基填土彈性模量從20MPa 增加到30MPa, 最大豎向沉降從51.11mm 減小到48.20mm,減小幅度為5.7%；從30MPa 增加到40MPa,最大豎向沉降從48.20mm 減小到46.54mm,減小幅度為3.4%；從40MPa增加到50MPa, 最大豎向沉降從46.54mm 減小到45.43mm,減小幅度為2.4%,表明隨著路基填土本身彈性模量的增加,豎向沉降在逐漸減小,且減小幅度越來越小。即隨著路基填土彈性模量的增加, 路基填土彈性模量控制豎向沉降的功能在減弱并趨近一個定值。

3.2 不同路基填土參數下路基水平位移分析

從表2 和圖5～圖6 中可以看出, 隨著路基填土彈性模量的增加, 水平位移的分布與影響深度在逐漸減小,舊路基部分水平位移較小,而新路基水平位移相對較大。 在新舊路基搭接處水平位移要比新路基與舊路基大, 而且隨著路基彈性模量的增加這種變化規律更加明顯。 當路基填土彈性模量從20MPa 增加到30MPa, 最大水平位移從4.5mm 減小到3.8mm,減小幅度為15.6%；路基填土彈性模量從30MPa 增加到40MPa, 最大水平位移從3.8mm減小到3.4mm,減小幅度為10.5%；路基填土彈性模量從40MPa 增加到50MPa, 最大水平位移從3.4mm 減小到3.1mm,減小幅度為9.7%。 說明隨著路基填土彈性模量的增加,水平位移增加的幅度在逐漸減小,且減小的幅度越來越大, 說明路基填土彈性模量控制水平位移的功能在不斷的減弱。

3.3 不同路基填土參數下路基豎向應力分析

從表2 和圖7～圖8 中可以看出, 在原路基與新拓寬路基采用臺階搭接的方式結合后, 改變了路基中豎向應力的分布, 豎向應力隨著路基填土彈性模量的增加而逐漸減小,且其對路基與地基的影響范圍也逐漸減小,最大豎向應力出現在新老路基搭接處及其下方地基處。 從圖8 中可以看出在路基填土彈性模量為20MPa 時, 最大豎向應力值為157.11kPa； 在路基填土彈性模量為30MPa豎向應力影響范圍在拓寬路基正下方及其下方地基,最大豎向應力值為157.06kPa； 在路基填土彈性模量為40MPa 豎向應力影響范圍開始減小, 作用深度也比30MPa 時要淺,最大豎向應力值為157.01kPa；在路基填土彈性模量為50MPa 最大豎向應力為156.96kPa,減小幅度為0.03%。 即隨著路基填土彈性模量的增加,豎向應力在逐漸減小,豎向應力影響的范圍也在同步的減弱。

表2 不同路基填土參數變化下拓寬段位移與應力值

圖3 路基填土E=30MPa 時的豎向位移云圖

圖4 不同彈性模量填土對豎向位移的影響

圖5 路基填土E=30MPa 時的水平位移云圖

圖6 不同彈性模量填土對水平位移的影響

圖7 路基填土E=30MPa 時的豎向應力云圖

圖8 不同彈性模量填土對豎向應力的影響

3.4 不同路基填土參數下路基剪應力分析

圖9 路基填土E=30MPa 時的剪應力云圖

圖10 不同彈性模量填土對豎向位移的影響

從圖9～圖10 中可以看出,隨著拓寬路基填土彈性模量的增加,剪應力分布在逐漸變化,其對路基以及地基的影響范圍也在逐漸增大。 最大剪應力出現在新老路基搭接處及其下方地基的位置, 同時在新路基坡腳處存在一個正向最大剪應力。從圖10 可以看出在新舊路基與土基結合部出現應力變化不連續現象, 原因在于新舊路基與土基的材料性質差異、不同步沉降造成的。

4 結論

(1)隨著路基填土彈性模量的增加,新舊路基豎向沉降與豎向應力在逐漸減小,且減小的幅度越來越小,但新路基沉降大于舊路基沉降, 沉降峰值出現在新路基路肩附近,而舊路基中心線處沉降量最小。

(2)最大豎向應力出現在新路基附近,同時在新舊路基搭接處存在一個較大的豎向應力值。 水平位移隨著新路基填土回彈模量的增加, 其分布范圍也逐漸發生變化,新舊路基內的水平位移均逐漸減小。

(3)選用彈性模量較高的路基填土能較好地改善路基不均勻沉降, 包括路基頂面最大沉降值和豎向沉降值,但當路基土模量提高到一定程度后, 對改善路基不均勻沉降的效果十分有限。