路基拓宽段差异沉降数值模拟*

2018-06-20席强伟

交通科技 2018年3期

柳伟席强伟

(1.华东交通大学土木建筑学院南昌 330013; 2.江西交通职业技术学院建筑工程系南昌 330013)

伴随着我国经济持续快速发展，越来越多的公路需要进行改扩建。由于新老路基填筑时间不同，它们之间往往会产生一定的差异沉降。周文[1]指出这种不均匀沉降是导致路基、路面病害发生的重要原因。

为解决此类问题，国内外学者进行了相关的研究，邓松等[2]研究了道路扩建工程中路堤拼接部的力学特性。杨涛等[3]采用二维非线性有限元法，对软土地基上拓宽路堤的土工格栅加筋作用和效果进行了模拟分析。王景环等[4]采用有限元参数分析方法，对路堤填筑材料物理参数对新老路堤变形特性的影响进行了研究。叶红英等[5]利用三维有限元方法进行三维固结计算，模拟路基扩建工程的地基变形。王家全等[6-7]对土工格室处治高填方新旧路堤进行了现场试验，研究了格室的处治效果。

本文研究红黏土地区道路拓宽后新老路基的差异沉降问题，采用FLAC3D进行数值模拟分析，研究了多种因素对路堤加固的效果，为新老路基的设计和施工提供参考依据。

1 数值模型的建立

1.1 工程背景

江西某高速路段由于交通量的逐年增长，原有道路等级已不满足交通需求，需对老路进行扩建。新、老路基的边坡坡度均为1∶1.5，采用自上而下式的台阶开挖方式，台阶尺寸设计为1 m(高)×1.5 m(宽)，见图1。模型的中心点为A点，老路基中心点(老路基沉降观测点)为B点，新路基中心点(新路基沉降观测点)为C点，加载位置水平向为2个相同的荷载分布区域，分别是以A为起点6～8 m处，即a～b，18～20 m处，即c～d段，纵向沿行车方向满铺在计算模型上。老路基总宽度为26 m，两侧拓宽宽度均为8.25 m，路面结构层为碎石垫层和沥青面层。拼接处的剖面图见图2。

图1 加载平面图(单位：m)

图2 新老路基拼接剖面(单位：m)

1.2 模型的建立

由于道路的对称性，选用路堤的1/2进行分析，设定计算模型的坐标系原点O为地基表面和模型对称轴的交点，水平向右为X轴，竖直向上为Z轴。在Z轴方向上，选取路面以下25 m(路面结构1 m，路基高度4 m，地基厚度20 m)作为本次模拟的计算范围；在X轴方向上，以路基中线为起点向侧边延伸35 m作为本次模拟的计算范围，根据FLAC3D软件进行分析。台阶开挖后的网格模型见图3，新老路基拼接后的网格模型见图4。

图3 台阶开挖后的网格模型

图4 新老路基拼接后的网格模型

1.3 计算参数

根据工程勘察报告及相关资料，新老地基土层分为2层：第1层为8 m厚红黏土；第2层为12 m厚微风化岩石。红黏土、微风化岩石及路堤填土均采用Mohr-Coulomb模型来模拟。Mohr-Coulomb塑性模型主要适用于在单调荷载下,以颗粒结构为特征的材料,如土壤。它与率变化无关，并假设材料是初始各向同性的。路面结构层为均质、连续、各向同性的线弹性体，土工格栅的本构关系简化为线弹性。地基和路基各土层的物理力学参数见表1。

表1 各结构层的物理参数

原有路基和地基在长期荷载和自然环境作用下，沉降基本趋于稳定。地下水位为地面以下2 m,先进行地应力平衡，生成初始应力场。对原有路基边坡开挖台阶，设定各土层的物理力学参数，并施加荷载进行计算。在计算过程中设定相应的应力和位移跟踪点，以模型中A点为起点，向右依次为：0，2，4，6，8，10，12，14，16，18，20，21 m，记录沉降数值。模拟计算的边界条件如下。

1) 由于对称性，在x=0 m处，水平位移为0；在x=35 m平面上，由于距离荷载较远，假设荷载在该平面上不引起位移，因此在x=35 m平面上水平位移为0。

2) 假设微风化岩石底部没有竖向位移，即在z=-25 m平面上w=0。

2 计算结果及分析

2.1 加筋与不加筋比较

为研究铺设格栅和不铺设格栅对新老路基差异沉降的影响，考虑加格栅和不加格栅的2种方案。图5给出了填筑高度为4 m时，加格栅和不加格栅的路基表面沉降曲线，比较可以得出，不加筋时，新老路基的差异沉降为7.01 cm，加筋后，新老路基的差异沉降减小5.56 cm，减小了33.5%，说明土工格栅对减少路基沉降有一定作用。通常情况下，作为加筋体存在于高等级公路拓宽工程中的土工合成材料对拓宽路基有积极影响，其中包括提高地基承载力，增强地基土的约束力，减小水平位移，从而使路基的不均匀沉降减小，大大提高拓宽路基的整体性。

图5 拓宽路基沉降曲线图

2.2 路堤填筑高度的影响

在进行公路拓宽扩建工程中，路基高度的大小直接影响着路基和地基变形的大小，为研究不同路堤高度对拓宽路基沉降的影响，分别选取路堤高度为2，4和6 m进行模拟，从而分析比较差异沉降。填筑高度对拓宽路基沉降的影响见图6，新老路基差异沉降与填筑高度关系曲线见图7。

图6 填筑高度对拓宽路基沉降的影响

图7 新老路基差异沉降与填筑高度关系曲线

由图6可见，拓宽路基的差异沉降随着填筑高度的增加而增加。当路基高度为2 m时，最大的差异沉降为2.63 cm；当填筑高度为4 m时，最大的差异沉降为6.58 cm；当填筑高度为6 m时，最大的差异沉降为8.81 cm。

由图7可见，对于新路基和老路基，填筑高度越小，新、老路基的差异沉降越小。这是因为填筑高度越小，新路基对老路基的影响就越小，从而老路基的附加应力就越小。因此，在满足最小路堤高度的前提下，减少路堤高度可有效减少新老路基差异沉降。

2.3 格栅层数的影响

为分析不同土工格栅层数对差异沉降的影响，选用3种情况进行对比，分别为：1层土工格栅(位于地基表面)，2层土工格栅(1层位于地基表面，1层位于路基表面)，3层土工格栅(1层位于地表，1层位于路基中部，1层位于路基表面)。对不同的格栅铺设方式，间距越大，格栅所承受的荷载就越大，拉力就越大。格栅铺设的层数与新路基中心点沉降关系见图8，可以看出格栅层数的增加对新老路基的差异沉降的减少效果不是很明显。分别在路基表面和地基表面铺设格栅可有效地减少新、老路基的差异沉降，随着土工格栅的层数增加，效果会慢慢减弱，所以应该合理设置土工格栅的层数，以达到最优的效果。

图8 土工格栅层数对拓宽路基沉降的影响

2.4 格栅弹性模量的影响

图9为土工格栅模量不同时拓宽路基沉降曲线。

图9 不同土工格栅模量下拓宽路基沉降曲线

由图9可见，沉降量随着距老路基中心点的距离增大，先增大后减小；拓宽路基的差异沉降也随着土工格栅的弹性模量的增加而减少，但是弹性模量从3 000 MPa增加至7 000 MPa，对新老路基的差异沉降效果不太明显。可以看出，在铺设格栅的左侧老路基部分的沉降基本相同，新路基部分随着格栅弹性模量的增加，其沉降有效减少。

2.5 路堤填筑宽度的影响

图10为拓宽道路宽度对拓宽路基沉降的影响，分别选取拓宽宽度为8.25，10.25，12.25 m 3种情况进行分析计算。由图10可见，随着拓宽宽度的增加，路基沉降有明显的增加，路基填筑宽度加剧了新老路基之间的差异沉降。拓宽宽度从8.25～12.25 m，路基最大沉降的位置有向外侧移动的趋势。在满足最小拓宽宽度的前提下，控制路基的拓宽对路基变形、差异沉降的减少能够起到重要作用。