樁承式土工格柵加筋拓寬路基有限元計算分析

0 引言

隨著我國交通行業的發展和物流運輸的需要不斷增大，公路拓寬項目越來越多。而由于新、舊路基土體性質的差異，不可避免地產生沉降變形，影響道路正常運營。針對于此，許多研究人員進行了一系列研究[1-2]。付建軍等[3]通過離散元數值模擬方法，對沿江堤路新老路基裂縫擴展微觀機理進行了分析。張振等[4開展了離心模型試驗，對比了常規填料和氣泡輕質土用于高鐵拓寬路堤的變形特性與應力分布差異。祝建華等[5]依托實際拓寬工程，設置了3種加筋方案，通過三維數值模擬方法對比了不同加筋方案下拓寬瀝青路面結構的力學響應。李立等[通過離心模型試驗，研究了樁承式加筋土結構拓寬路基的工作特性，結果表明采用樁承式加筋土擋墻結構對路基進行拓寬，能有效減小路基頂面沉降。許正璇[7]依托青海省某穿越鹽漬土區公路的線路路基拓寬項目，對拓寬路基溶陷變形控制關鍵技術進行了研究論證。

現有研究中，對路基填筑間隔時間的研究仍然較少。基于此，本文采用樁承式加筋土擋墻改善拓寬路基沉降，通過有限元數值模擬手段分析新、舊路基不同間隔時間工況下的沉降規律，研究了原有路基通車時間對拓寬路基沉降變形的影響。

1工程概況

某高速公路拓寬項目，途經沖積平原，軟土厚度大部分超 20m 。路基高度為 3.0m ，寬度為 20m ，拓寬路基寬度為 12.0m ，拓寬方式為對稱拓寬。地勘資料顯示，

研究段地表往下依次分布有2.5m厚亞黏土硬殼層、12.5m厚淤泥質亞黏土層、16m厚亞黏土層。各土層物理力學參數如表1所示。

表1各土層物理力學參數

2三維有限元模型

2.1 路基模型建立

2.1.1 三維模型

考慮到該拓寬路基工程的對稱性，為了提高計算效率，取實際結構一半進行數值模擬。在原有路基參數基礎上，采用樁承式加筋土擋墻進行拓寬路基加固。該路基拓寬工程的計算模型如圖1所示。

圖1路基拓寬計算模型

計算模型寬度設為 30m 地基厚度設為20m，擋墻高度設為 3m ，路基拓寬寬度為6m，拓寬路基邊緣設置0.5m厚度的擋墻進行約束。共鋪設5層土工格柵，包含原路基一層與拓寬后路基4層，樁長為15m，直徑為 0.5m ，間距2m布置。土工格柵通過軟件自帶的土工格柵單元模擬，樁體采用結構單元模擬，樁帽采用殼單元模擬。

2.1.2邊界條件與網格劃分

模型底部邊界條件設為固定約束，四周設為法向約束，頂部設為自由約束。考慮到工程的特殊性，在網格劃分過程中，對拓寬路基交接面處進行局部的網格加密處理，共劃分出312053個有限元網格。

2.2模擬工況

此次研究的重點在于既有路基填筑完成后，不同時間間隔后進行路基拓寬時的擋墻位移、地基與路基沉降差異。具體模擬步驟如表2所示。

表2模擬工況及內容

3結果分析與討論

3.1 擋墻位移

3.1.1路基剛填筑完工況

圖2為拓寬路基填筑完成時擋墻水平位移分布曲線。從圖2中可以看出，擋墻水平位移沿擋墻高度分布呈現“鼓肚狀”，即擋墻水平位移隨著擋墻高度的增加呈現先增后減的變化規律，水平位移峰值出現在擋墻高度1m附近，為 1.74mm. 。各工況相比，擋墻水平位移數值大小以及沿擋墻高度分布規律基本一致，未呈現出明顯的差異性，最大水平位移峰值為間隔2年工況。

3.1.2路基填筑完成3年工況

圖3為拓寬路基填筑完成3年后擋墻水平位移分布曲線。從圖3中可以看出，擋墻水平位移呈現出隨著擋墻高度增加而增大的一般性規律，擋墻水平位移與高度呈現正相關關系。各工況相比，隨著高度的增加，各工況差異逐漸增大，呈現出隨著間隔時間增加擋墻水平位移減小的分布規律。擋墻水平位移峰值出現在擋墻頂部，為 12.3mm ，較拓寬路基剛填筑完成時有明顯增大。

圖2拓寬路基填筑完成時擋墻水平位移曲線

整體而言，相較于拓寬路基填筑完成時，拓寬路基填筑完成3年后擋墻水平位移分布規律和數值均出現較為明顯的改變。擋墻水平位移隨擋墻高度增加而增加，兩者呈現正相關關系。而數值方面，峰值由填筑完成時的 1.74mm 增加至 12.3mm ，且各工況差異明顯提高。新舊路基填筑間隔時間越大，在既有路基荷載作用下地基土流變發展時間越長，土體越發穩定，拓寬后變形也就越小。基于此，在實際工程中，應考慮到拓寬路基運營對擋墻位移的影響。在設計中應采取可靠措施，以保證拓寬路基運營安全。

3.2地基沉降

新舊路基間隔8年工況下，路基拓寬完成后各監測點地基沉降曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著時間的增加，地基沉降在前期（ Φlt;30d ）出現略微下降，之后持續增大，增長速率逐漸上升。在50d時刻出現突變，較突變前速率明顯下降。

各監測點相比，同一時刻最大地基沉降出現在E監測點中，即擋墻墻趾外邊緣，最終沉降達到了 10.9mm 。其次為D監測點，即擋墻墻趾內邊緣，最終沉降約為9.2mm 。監測點A、B、C地基沉降數值較為接近。此外，B監測點即新、舊路基交接位置處在前期較其余監測點出現了明顯的地基隆起，數值約為 1.5mm 。基于此，在實際工程中，應對擋墻墻趾內外邊緣以及新、舊路基交接位置處進行重點考量，避免發生安全隱患。

圖3拓寬路基填筑完成3年后擋墻水平位移曲線

圖4新舊路基間隔8年路基拓寬過程中各監測點地基沉降

圖5路基沉降隨水平距離變化曲線

圖6拓寬完成后各監測點路基沉降變化

3.3路基沉降

3.3.1路基沉降隨水平距離變化

路基沉降隨距離路基中心水平距離的變化曲線如圖5所示。圖5a為拓寬路基剛填筑完成時的路基沉降變化情況，圖5b為拓寬路基填筑完成3年后的路基沉降變化情況。

從圖5a中可以看出，拓寬路基剛填筑完成時，路基沉降與距路基中心水平距離關聯性較小，呈現出隨著與路基中心線距離增加沉降緩慢下降的趨勢。各工況相比，路基沉降與新、舊路基間隔時間呈現正相關關系，隨著間隔時間的增加而增大，間隔時間為10年工況下路基沉降峰值達到了 100mm ，可見路基沉降較地基沉降更為顯著。

從圖5b中可以看出，拓寬路基3年后，較路基填筑完成時沉降變化趨勢存在明顯的差異。在距離路基中心點5m位置處路基沉降出現顯著的波動，之后沉降隨著與路基中心點距離的增加而降低。各工況相比，同一位置處路基沉降與新、舊路基填筑間隔時間呈反比，即間隔時間越長，路基沉降越小，與路基剛填筑完成時恰好相反。數值方面，填筑完成3年后較填筑完成時有明顯下降，最大路基沉降峰值為31.4mm。

3.3.2路基沉降隨時間變化

新、舊路基填筑間隔8年工況下，路基頂面監測點路基沉降隨時間變化曲線如圖6所示。從圖6可以看出，路基填筑完成后，由于土體的蠕變特性，仍存在較長時間的沉降增長。各監測點相比，同一時刻F點沉降較高，即最大沉降出現在新、舊路基交接面處，最大沉降達到了 11.04mm.

整體而言，延長新、舊路基填筑間隔，即增加原有路基通車時間，能有效減少路基沉降量以及新、舊路基的不均勻沉降。此外，路基填筑完成后地基頂面的差異沉降也較小，除墻趾位置外，地基頂面沉降基本接近，體現出樁承式加筋土擋墻良好的承載性能。

4結論

為研究拓寬路基的沉降特性，本文通過有限元方法建立拓寬路基數值仿真模型，采用樁承式加筋土擋墻改善拓寬路基沉降，分析新舊路基不同間隔時間下的沉降規律，得出主要結論如下：

1）擋墻水平位移沿擋墻高度分布呈現“鼓肚狀”，水平位移峰值為 1.74mm ，出現在擋墻高度1m位置附近。

2）不同間隔時間工況下地基頂面沉降差異較為明顯，同一位置處，路基拓寬完成時新、舊路基填筑間隔時間越大，地基頂面沉降越高，而路基拓寬3年后規律則相反。

3）路基填筑完成后，由于土體的蠕變特性，仍存在較長時間的沉降增長，最大沉降出現在新、舊路基交接面處，最大沉降達到 11.04mm 。

4）延長原有路基通車時間，能有效減少路基沉降量以及新、舊路基的不均勻沉降。路基填筑完成后地基頂面的差異沉降較小，體現出樁承式加筋土擋墻良好的承載性能。

參考文獻

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[7]許正璇.青海省鹽漬土區公路路基拓寬溶陷變形控制關鍵技術研究[J].公路工程，2022，47（4）：117-123.