既有公路路基加寬變形控制的研究

郭學(xué)軍

（韶山市交通運輸局，湖南 湘潭 411300）

0 引言

隨著家用車的大量普及，原有道路路基已不能承受交通量的飛速增長，解決措施為新建道路以及加寬原有道路，對于低等級公路和城市道路，從經(jīng)濟(jì)型角度考慮，道路加寬是目前較為普遍的解決措施。對于路基加寬，國內(nèi)外學(xué)者做了大量相關(guān)的研究：傅珍[1]以某實際公路改建工程為研究對象，構(gòu)建了ANSYS 路基加寬模型，從路基加寬的措施、路基加寬的寬度以及路基高度三個角度分析了路基加寬對路基變形的影響。高志偉[2]以河北省某公路建設(shè)為背景，通過構(gòu)建路基沉降的有限元模型分別從路基填土、路基填筑高度、路基邊坡坡率、路基施工等角度分析路基變形規(guī)律并做出預(yù)測。朱瑞鈞[3]通過研究吉林省某公路加寬擴(kuò)建工程，在現(xiàn)場實驗測得實驗參數(shù)的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了ANSYS 模型預(yù)測路基未來的沉降值，通過與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對比，誤差較小，模型具有較好的模擬效果。張大偉[4]以內(nèi)蒙古某公路建設(shè)為依托，構(gòu)建了ANSYS 數(shù)值模型，分析了路基加寬填料、原有路基物理力學(xué)性質(zhì)、加寬施工措施對路基沉降以及不均勻沉降的影響。宋文佳[5]通過構(gòu)建ADINA 模型分析了地基物理力學(xué)參數(shù)、填料性質(zhì)、加寬路基底部預(yù)應(yīng)力樁、墊層等因素對路基改擴(kuò)建工程沉降的影響。耿建宇[6]構(gòu)建了PLAXIS 某山區(qū)道路加寬工程的數(shù)值模型，分析了山區(qū)加寬道路中土工格柵對加寬公路提高整體穩(wěn)定性、降低路基沉降以及減少邊坡滑移的作用；王曉平等[7]通過構(gòu)建有限元軟件/Explicit 模型分析了強(qiáng)夯法的夯擊次數(shù)、夯擊力的大小以及夯擊方式對路基填土的影響。王泉清[8]構(gòu)建了有限元軟件路基加寬模型，分析了在路基加筋擋土墻的作用下，不同的填土材料、加筋擋土墻面板、新舊路基接縫施工措施對路基變形和穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

基于以上的研究成果可知，加寬路基工程的沉降受到路基高度、路基加寬施工措施、路基支擋、土工材料使用等因素的影響。在以上研究成果的基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建有限元軟件路基加寬數(shù)值分析模型分析影響路基變形的因素。

1 工程概況

韶山市韶河現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園道路提質(zhì)改造工程涉及三條線路：朝磨路提質(zhì)改造工程路線全長8.258km，路線起點樁號為K0+000，終點樁號K8+258.114；別銀路提質(zhì)改建工程路線全長5.209km，路線起點樁號為K0+000，終點樁號K5+208.582；永長路提質(zhì)改建工程路線全長4.530km，路線起點樁號為K0+000，終點樁號K4+529.748。該項目為對水泥路面加寬，挖方邊坡進(jìn)行土方開挖，對部分破損路面進(jìn)行換板處治，面板脫空處加寬部分結(jié)構(gòu)層：22cm 厚C30 水泥混凝土面層＋30cm 厚C10 貧混凝土基層＋10cm 厚級配碎石底基層+土基。行注漿，涵洞加長，適當(dāng)增加排水溝。加寬后對原有水泥面板縱橫縫進(jìn)行防反射裂縫處理，同時對原有損壞的破碎板進(jìn)行換板、對脫空的面板進(jìn)行壓漿處理，再加鋪1cm 厚同步碎石封層+4cm 厚普通瀝青混凝土面層。

2 有限元模型

根據(jù)地質(zhì)條件以及工程概況，利用有限元軟件構(gòu)建路基加寬模型對路基加寬過程進(jìn)行模擬，由于路基模型的縱斷面尺寸較大，可以將模型簡化為二維平面模型進(jìn)行研究，土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。

因道路已運營多年，土體和路基沉降已穩(wěn)定。因此，為研究加寬部分路基的影響，軟件中對原有土體和路基設(shè)置地應(yīng)力平衡，設(shè)置其初始位移為0，在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行加載分析。

構(gòu)建的模型示意如圖1 所示，選用路基底部深度20m，寬度100m 范圍作為研究對象，模型中原路基寬為18m，加寬后的路基寬為31.5m，路基高6m，路基邊坡坡度為1∶1.5，圖2 為加寬施工完成后的沉降分布圖。

圖1 模型示意圖

圖2 加寬施工完成后的沉降分布圖

3 加寬路基沉降影響因素分析

土路基加寬變形受多種因素的共同作用影響，包括：路基加寬方式、路基高度、路基填土性質(zhì)、地基土性質(zhì)等。重點分析路基加寬方式對路基沉降的影響。

3.1 路基加寬方式對路基沉降的影響

由于施工過程中路段設(shè)計加寬方式為雙側(cè)路基加寬，當(dāng)路基受特殊條件限制時，可采用單側(cè)加寬的方式，現(xiàn)對比分析單側(cè)加寬與雙側(cè)加寬對路基沉降的影響，單側(cè)加寬構(gòu)建模型為路基右側(cè)加寬10m，雙側(cè)加寬構(gòu)建模型為路基雙側(cè)各加寬5m。圖3 給出了路基加寬方式對路基沉降的影響。

圖3 路基加寬方式對路基沉降的影響

圖3(a)所示為單側(cè)加寬與雙側(cè)加寬的情況下路基的沉降曲線，單側(cè)加寬與雙側(cè)加寬對原路基范圍內(nèi)的影響規(guī)律基本相同，但單側(cè)加寬對路基沉降的影響較大，這是由于原路基范圍內(nèi)沉降基本完成，因而沉降規(guī)律基本相同。但在右側(cè)加寬區(qū)域，單側(cè)加寬的沉降值較雙側(cè)加寬的沉降值有很大幅度的增長，這是由于新加寬路基較為不穩(wěn)定，且受到單側(cè)加寬的不平衡荷載作用，加寬路基段出現(xiàn)較大幅度的沉降。

圖3(b)為單側(cè)加寬與雙側(cè)加寬的情況下地基表面的沉降曲線，在雙側(cè)加寬情況下，地基表面的沉降曲線呈現(xiàn)倒“M”形，在加寬后路基邊緣出現(xiàn)最大值。在單側(cè)加寬情況下，路基中心線左側(cè)地基表面基本不出現(xiàn)沉降，路基中心線右側(cè)地基表面的沉降呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，且沉降值的最大值約為雙側(cè)加寬最大值的兩倍。

圖3(c)為單側(cè)加寬與雙側(cè)加寬的情況下新路坡坡腳在深度方向上的水平位移，單側(cè)加寬與雙側(cè)加寬的影響曲線均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢，且在基礎(chǔ)頂面12m 左右出現(xiàn)最大值，且單側(cè)加寬坡腳水平位移的最大值是雙側(cè)加寬坡腳水平位移的最大值的2.3 倍。

對比分析三種模擬結(jié)果，在其他控制條件相同的情況下，雙側(cè)加寬較單側(cè)加寬對路基沉降的影響更小。

3.2 路肩擋土墻對路基沉降的影響

由于路基形式主要為路堤結(jié)構(gòu)，因而將分析路肩擋土墻對路基的沉降、地基表面的沉降、新路坡坡腳在深度方向上的水平位移三個方面的影響，對比無路肩擋土墻、新路基增加路肩擋土墻、原路基與新路基均具備路肩擋土墻的三種情況對路基變形的影響以及不同路基高度時擋土墻的作用效果。兩種新工況下使用的擋土墻材料參數(shù)相同：重度為21.9kN/m3、壓縮模量為4.2×106kPa、泊松比為0.2。

圖4(a)、圖4(b)分別為填土高度為2m、4m 時三種工況下路表沉降曲線，相較于普通放坡的路基，新路基增加路肩擋土墻的工況對降低路表沉降具有很好的效果，原路基與新路基均具備路肩擋土墻的情況對降低路表沉降的效果不大，因而低路基適合采用新路基增加路肩擋土墻的工況。

圖4(c)為填土高度為6m 時三種工況下路表沉降曲線,相較于普通放坡的路基，新路基增加路肩擋土墻的工況對降低路表沉降和路基不均勻沉降的作用較好。在原路基與新路基均具備路肩擋土墻的工況下路表沉降出現(xiàn)較大幅度減小。由此可見，較高的路基適合采用原路基與新路基均具備路肩擋土墻的工況。

圖4(d)為三種工況下地基表面沉降的變化圖。設(shè)置路肩墻后，地基表面沉降的變化規(guī)律與無路肩擋土墻的情況類似。新路基增加路肩擋土墻的工況相較于無路肩擋土墻的工況有效減少了路基填土，使得新增路基填土的水平方向上荷載可以均勻分布作用于原有路基和路肩墻上，從而整體減小了地基的沉降。

圖4 路肩擋土墻對路基沉降的影響

由以上分析可得，路肩擋墻的設(shè)置不僅可以減小路基邊坡放坡對于土地的占用，還可以有效降低路基、地基的沉降。

4 結(jié)論

本文以韶山市韶河現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園改造道路為研究對象，通過有限元軟件構(gòu)建路基加寬模型，對路基加寬過程進(jìn)行模擬研究，并從施工角度進(jìn)行分析降低新老路基地基和基礎(chǔ)沉降的措施，可以得到以下結(jié)論：一是單側(cè)加寬相比較于雙側(cè)加寬，對路基表面沉降影響較大，地基表面沉降的最大值約為雙側(cè)加寬最大值的兩倍，單側(cè)加寬坡腳水平位移的最大值是雙側(cè)加寬坡腳水平位移最大值的2.3 倍，因而雙側(cè)加寬對路基沉降更加有利。二是低路基適合采用新路基增加路肩擋土墻的工況，較高的路基適合采用原路基與新路基均具備路肩擋土墻的工況，路肩擋土墻可以有效減少填土并提高路基的穩(wěn)定性。