不同設計參數對公路拓寬路基變形特性的影響

薛 洋

（新疆瑞路豐工程技術有限公司，新疆 昌吉 831100）

引言

隨著社會經濟的高速發展，公路交通流量及交通荷載持續增長，導致早期修建的公路已無法滿足通行需求。因此，為提高道路通行能力，我國開始大規模開展公路路基拓寬工程。劉展瑞等[1]采用有限元數值分析和現場調研的方法建立舊路基分析模型，探討了舊路基不同換填深度對新舊路基應力和差異的影響。陳超[2]通過建立拓寬段不同路基填土參數下的力學計算模型，研究了高速公路不同路基填土參數對豎向位移、水平位移、豎向應力、剪應力等力學行為的影響。張潭等[3]利用有限元軟件建立四級公路單側拓寬、雙側拓寬、挖除重筑三種拓寬方式數值模型，結合現場實測沉降數據，分析了不同拓寬方式下路基不均勻沉降特性。衛高明[4]以某高速公路路基拓寬工程為例，采用數值模擬分析了不同路基拓寬寬度下的路基變形、地基變形及路面橫坡的變化規律。現有研究大多是針對單一參數對拓寬路基變形的影響，缺乏不同設計參數對拓寬路基變形影響的系統性研究。

1 工程概況

某城市高等級公路，全長7.62 km，原有路面寬度為12.5 m，車道設計為雙向四車道，最高行駛速度為70 km/h，安全等級為公路Ⅰ級，路基高度為6 m，邊坡比為1 ∶1.5，目前已運營10 a。現由于交通量的不斷增大，原設計車道數已無法滿足運營需求，因此，計劃對原有雙向路基進行拓寬，以提高該線路的運營能力。拓寬后路基寬度由12.5 m 增至24.5 m，車道增至雙向八車道，路基高度與邊坡比均保持不變，拓寬方式采用雙側同時拓寬路基，單側拓寬寬度為6 m。新舊路基采用臺階式拼接方式，并采用夯擊法對拼接處進行加固，臺階寬度為2 m。新路基填筑分為4 層，每層填筑高度為1.5 m。根據原有地質勘測結果顯示，地基土層主要包括2 m 厚硬殼層、10 m 厚亞黏土層和12 m 厚淤泥質黏土層。拓寬路基截面見圖1。

圖1 拓寬路基/m

2 建立模型

運用有限元軟件ABAQUS 建立拓寬路基數值模型，模型中擬定路基為不透水彈性材料，采用四節點平面應變單元模擬，擬定地基為透水塑性材料，采用平面應變空隙水壓力單元模擬，計算模型共包含637 個單元和732 個節點，其有限元模型見圖2。

圖2 有限元模型

考慮到拓寬路基影響因素的復雜性，計算過程中考慮各層材料為均質、連續且完全黏合；假定路堤作為平面應變問題考慮，考慮地基土的固結問題；假定路基和地基均為理想彈塑性體；假定新舊路基拼接處接觸連續，無滑移與脫落現象；土體本構關系采用摩爾-庫倫彈塑性模型；考慮荷載為20 kPa 等效均布荷載。為保證計算結果的精準性，對模型底部采用水平和豎向位移約束，兩側采用水平位移約束，地下水位線位于地表處，頂部為透水邊界，其余均為不透水邊界。模型中土體計算參數見表1。

表1 土體計算參數

3 結果與分析

3.1 拓寬方式

為比較不同拓寬方式對拓寬路基變形特性的影響，分別建立路基單側拓寬12 m 和雙側同時拓寬6 m 的計算模型，并針對2 種拓寬方式下路基的水平位移及豎向沉降變化規律進行對比分析，結果見圖3。

圖3 路基變形特性變化曲線

根據圖3 可知，采用單側拓寬方式的新舊路基水平變形差異較大，且在新路基路肩位置出現了反向位移，路基表面最大水平位移出現在路基中心線位置，最大值為2.73 cm。采用雙側拓寬方式的新舊路基水平變形基本呈中心線對稱分布，最大水平位移出現在兩側新舊路基拼接位置，最大值為1.21 cm，相對于單側拓寬路基最大水平變形降低近55.6%。采用單側拓寬方式的新舊路基豎向沉降差異較大，路基表面最大沉降值為-15.93 cm，而采用雙側拓寬方式的新舊路基豎向沉降差異較小，其最大沉降值為-11.38 cm，相對于單側拓寬路基最大沉降量降低了28.6%。綜上，拓寬路基采用雙側拓寬方式對于控制新舊路基水平變形及沉降差異的效果要優于單側拓寬方式。

3.2 路基高度

為研究不同路基高度對拓寬路基變形特性的影響，運用軟件分別建立路基高度為2.5 m、5 m、7.5 m及10 m 的計算模型，采用雙側拓寬方式，拓寬寬度為6 m，并針對不同路基高度的路基水平位移及豎向沉降變化規律進行對比分析，結果見圖4。

圖4 路基變形特性變化曲線

根據圖4 可知，隨著路基高度的增大，新舊路基表面的水平位移呈不斷增大趨勢變化，路基高度為2.5 m、5 m、7.5 m 和10 m 的新舊路基最大水平位移分別為0.39 cm、1.10 cm、1.93 cm 及2.71 cm，增幅較為明顯，說明路基高度變化對于新舊路基水平變形的影響較大。隨著路基高度的增大，新舊路基表面的豎向沉降呈不斷增大的趨勢變化，路基高度為2.5 m、5.0 m、7.5 m 和10.0 m 的新舊路基最大沉降量分別為8.02 cm、11.56 cm、14.37 cm及16.71 cm，沉降增幅較大，說明路基高度的變化對于新舊路基不均勻沉降的影響較大。綜合來看，路基高度的增大會同時增大新舊路基的水平位移和豎向沉降，不利于新舊路基的安全穩定性，因此，在實際工程中路基高度不宜設計過高。

3.3 路基寬度

為研究不同路基寬度對拓寬路基變形特性的影響，運用軟件分別建立路基寬度為4.5 m、6.5 m、8.5 m 及10.5 m 的計算模型，并針對不同路基寬度的路基水平位移及豎向沉降變化規律進行對比分析，結果見圖5。

圖5 路基變形特性變化曲線

根據圖5 可知，新舊路基表面的水平位移隨著路基寬度增大而逐漸增大，路基寬度為4.5 m、6.5 m、8.5 m 和10.5 m 的新舊路基最大水平位移分別為0.87 cm、1.10 cm、1.32 cm 及1.53 cm，最大水平變形均發生在新舊路基拼接位置，說明路基寬度的變化對于新舊路基的水平變形存在一定影響。隨著路基寬度的增大，新舊路基表面的豎向沉降呈不斷增大的趨勢變化，路基寬度為2.5 m、5.0 m、7.5 m和10.0 m 的新舊路基最大沉降量分別為9.59 cm、11.46 cm、12.93 cm 及14.44 cm，增幅相對顯著，說明路基寬度的變化對于新舊路基不均勻沉降的影響較為明顯。綜合來看，路基寬度的增大會同時增大新舊路基的水平位移和豎向沉降，且對于新舊路基不均勻沉降的影響要大于水平變形的影響。

3.4 路基彈性模量

為研究不同路基彈性模量對拓寬路基變形特性的影響，運用軟件分別建立路基彈性模量為5 MPa、10 MPa、15 MPa 及20 MPa 的計算模型，針對不同路基彈性模量的路基水平位移及豎向沉降變化規律進行對比分析，結果見圖6。

圖6 路基變形特性變化曲線

根據圖6 可知，隨著路基彈性模量的增大，新舊路基表面的水平位移呈不斷減小趨勢變化，路基彈性模量為5 MPa、10 MPa、15 MPa 和20 MPa 的新舊路基最大水平位移分別為1.69 cm、1.11 cm、0.87 cm 及0.73 cm，減幅較為明顯，說明路基彈性模量對于新舊路基水平變形的影響較大。隨著路基彈性模量的增大，新舊路基表面的豎向沉降呈不斷減小的趨勢變化，路基彈性模量為5 MPa、10 MPa、15 MPa 和20 MPa的新舊路基最大沉降量分別為13.48 cm、11.46 cm、10.71 cm 及10.32 cm，沉降量減幅較為明顯，說明路基彈性模量對于新舊路基不均勻沉降的影響較大。綜合來看，路基彈性模量的增大可以同時降低新舊路基的水平位移和豎向沉降，對于控制新舊路基的水平變形和不均勻沉降效果顯著，因此，在實際工程中可以選擇彈性模量較高的填土填筑路基。

4 結語

（1）從水平變形和沉降差異角度分析，雙側拓寬方式控制效果要明顯優于單側拓寬方式。（2）路基高度的增大會同時增大新舊路基的水平位移和豎向沉降，且路基高度越大，新舊路基水平變形和不均勻沉降越大，不利于新舊路基的安全穩定性。（3）路基寬度的增大會同時增大新舊路基的水平位移和豎向沉降，且對于新舊路基不均勻沉降的影響要大于水平變形的影響。（4）路基彈性模量的增大可以同時降低新舊路基的水平位移和豎向沉降，對于控制新舊路基的水平變形和不均勻沉降效果顯著。