公路改擴(kuò)建工程路基不均勻沉降的機(jī)理分析

廖俊棠

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西　南寧　530007)

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公路改擴(kuò)建工程路基不均勻沉降的機(jī)理分析

廖俊棠

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西南寧530007)

廖俊棠(1982—)，工程師，主要從事公路設(shè)計工作。

摘要：公路改擴(kuò)建工程中，新舊路基不均勻沉降是常見的病害之一。因此，如何降低不均勻沉降成為公路改擴(kuò)建工程中的關(guān)鍵。根據(jù)廣西公路改擴(kuò)建工程的特點，文章利用有限元分析法，研究新舊路基的變形特征，揭示不均勻沉降的產(chǎn)生機(jī)理，為舊路改擴(kuò)建工程的設(shè)計、研究提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：公路改擴(kuò)建工程；新舊路基；不均勻沉降；有限元；機(jī)理分析

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，廣西路網(wǎng)交通量日益增加，路網(wǎng)原有的通行能力已遠(yuǎn)不能滿足日益增長的交通需求。為了提高路網(wǎng)的道路通行能力，“十二五”期間，廣西將繼續(xù)推進(jìn)交通優(yōu)先發(fā)展策略，加大交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投入。受投資、征地、環(huán)保等因素所限，廣西路網(wǎng)建設(shè)一直貫徹“以舊路加寬改造為主、以改善路面為主”的原則，公路拓寬改建過程中必然面臨著新舊路基不均勻沉降的問題。因此，如何合理控制新舊路基的不均勻沉降成為公路改擴(kuò)建工程中的關(guān)鍵性問題之一。

公路改擴(kuò)建工程中的路基主要由舊路基及新建路基組成，兩者通過機(jī)械夯實的方式拼接在一起。由于舊路基在自身重力和行車荷載的作用下沉降固結(jié)已基本完成，而新路基沉降時間較短，新舊路基之間必然產(chǎn)生不均勻沉降，進(jìn)而產(chǎn)生裂縫、錯臺、滑塌等病害，從而影響行車的舒適性和安全性。本文在總結(jié)已有研究成果的基礎(chǔ)上，結(jié)合廣西公路改擴(kuò)建工程的實際情況，擬利用有限元分析法，研究新舊路基的變形特征，揭示了新舊路基不均勻沉降的產(chǎn)生機(jī)理，結(jié)果可為舊路改擴(kuò)建工程的設(shè)計、研究提供科學(xué)依據(jù)。

1有限元計算

1.1　有限元計算概述

有限元分析法的主要思路是將研究模型分解成有限個單元體，并賦予每個單元體相應(yīng)的物理方程。同時，通過節(jié)點將單元體連接成整體，由此得到求解問題的有限元計算方程，然后根據(jù)邊界和初始條件求解方程，最終得到問題的數(shù)值解。有限元分析法是目前最常用的數(shù)值計算方法之一，處理復(fù)雜工程問題中具有突出的優(yōu)點：(1)可求解非線性問題；(2)可處理非均質(zhì)、幾何形狀各異的實際結(jié)構(gòu)；(3)可模擬復(fù)雜的邊界條件和材料本構(gòu)關(guān)系；(4)復(fù)雜的計算過程可通過計算機(jī)完成，大大減少了計算時間，提高了計算精度。本文運(yùn)用有限元分析軟件建立路基沉降模型，充分考慮荷載和邊界條件的影響作用，模擬路基的固結(jié)壓縮變形及路基內(nèi)部的應(yīng)力變化過程，計算新舊路基的不均勻沉降。

1.2　土體本構(gòu)模型

土是一種受多因素影響的復(fù)合體，其力學(xué)行為復(fù)雜多變。本文采用在土力學(xué)中被廣泛采用的摩爾-庫倫模型來模擬土體的變形，這一理論認(rèn)為土的破壞是剪切破壞，因此，一旦土體內(nèi)任一平面上的剪應(yīng)力達(dá)到了土的抗剪強(qiáng)度土就發(fā)生破壞。在一定的應(yīng)力范圍內(nèi)，法向應(yīng)力和剪應(yīng)力的關(guān)系可由線性方程來表征：τf=c+σtgφ。摩爾-庫倫模型可以較好地反應(yīng)出土體的非線性應(yīng)力-應(yīng)變特征，對模擬新、舊路基及地基的變形有很好的適應(yīng)性。

1.3　計算模型

考慮到影響新舊路基不均勻沉降的因素十分復(fù)雜，對計算模型進(jìn)行如下的假定：

(1)由于路基的長度遠(yuǎn)大于路基的寬度，可認(rèn)為路基不會沿縱向方向變形，因此，路基變形計算按平面問題考慮，采用二維有限元分析；

(2)將土體視為彈塑性材料，采用摩爾一庫倫模型進(jìn)行模擬；

(3)新舊路基接觸面穩(wěn)定、連續(xù)，不發(fā)生滑移；

(4)新路基填筑前，舊路基和地基已固結(jié)完成，在自身重力作用下不會發(fā)生固結(jié)變形，但在新路堤作用下會再次發(fā)生沉降；

(5)根據(jù)公路改擴(kuò)建工程實際的路基寬度和拓寬方式設(shè)計模型的尺寸大小，并施加與實際一致的約束條件。

1.4　計算參數(shù)

本文選取工點路堤頂寬6m，路基填高8m，坡比1∶1.5。路基加寬方式為單側(cè)加寬，加寬寬度為4m，坡比為1∶1.5。計算參數(shù)如表1所示：

表1　有限元計算參數(shù)表

1.5　網(wǎng)格劃分

在有限元計算中，所要求求解的模型分解成一組虛擬的面或線組成的有限個單元的組合體，即用這些有限個單元體的集合來代替原來的求解區(qū)域。在實際計算軟件程序中，網(wǎng)格類組被化為為三角形單元，其中有15和6節(jié)點單元可供選擇，為提高計算精度，本文選用15節(jié)點單元的網(wǎng)格形式。計算模型網(wǎng)格劃分如圖1所示：

圖1　有限元網(wǎng)格劃分圖

1.6　施工過程的模擬

為了模擬實際施工過程中分層填筑路基的情況，計算中采用分層疊加路堤的模式。計算過程中，通過軟件中的“分步施工命令”來實現(xiàn)模擬路基分層填筑的情況。“分步施工命令”中，將路堤設(shè)為分4層填筑，每層填筑厚度為2m，填筑速率為2m·10d-1。

2結(jié)果與分析

根據(jù)上述的參數(shù)及模型，通過有限元計算，得到不同階段路基加寬后新舊路基沉降分布云圖，如圖2~5所示：

圖2　新路基填筑至2 m高時的沉降分布圖

圖3　新路基填筑至4 m高時的沉降分布圖

圖4　新路基填筑至6 m高時的沉降分布圖

圖5　新路基填筑至8 m高時的沉降分布圖

由圖2~5可以看出，隨著新路基填筑高度的增加，路基整體的沉降分布也發(fā)生了變化，新路基沉降趨勢逐漸增大，此外，新路基對舊路基的影響也逐漸增大，造成了舊路基的附加沉降也慢慢增大。由于新路基沉降的增長速率較快，隨著填筑高度的增加，新舊路基的不均勻沉降也逐漸增加。至新路基填筑結(jié)束時，新路基沉降遠(yuǎn)大于舊路基沉降，沉降的最大值出現(xiàn)在新路基路肩附近。

提取有限元計算結(jié)果數(shù)據(jù)，并繪制成圖，得出路基頂面沉降曲線圖，如圖6所示：

圖6　路基沉降曲線圖

從圖6可見，距離舊路中心線越大，沉降越大，舊路基沉降最大值出現(xiàn)在路肩邊緣，為2.1cm，新路基最大沉降同樣出現(xiàn)在路肩邊緣，為5.5cm，新舊路基差異沉降為3.4cm。分析曲線走向趨勢可得，舊路基段曲線增長比較平緩，大體上呈等斜率變化，而在新舊路基拼接處沉降曲線的曲率變化較大，有突變的趨勢。

為了進(jìn)一步揭示不均勻沉降對路基整體穩(wěn)定性的影響，利用軟件中應(yīng)力分析功能得到了路基內(nèi)部剪應(yīng)力分布圖，如圖7~10所示：

圖7　新路基填筑至2 m高時的剪應(yīng)力分布圖

圖8　新路基填筑至4 m高時的剪應(yīng)力分布圖

圖9　新路基填筑至6 m高時的剪應(yīng)力分布圖

圖10　新路基填筑至8 m高時的剪應(yīng)力分布圖

從圖7~10中可以看出，隨著新路基填筑高度的增加，路基內(nèi)剪應(yīng)力的分布區(qū)域逐漸發(fā)生了變化，最大值也逐漸增加，剪應(yīng)力的最大值由舊路基的坡腳處向新舊路基結(jié)合處移動，當(dāng)新路基填筑完成后，剪應(yīng)力最大值分布于新舊路基結(jié)合處的中部位置。由此可見，在公路改擴(kuò)建工程中，由于新舊路基不均勻沉降的影響，新舊路基結(jié)合部會產(chǎn)生剪應(yīng)力的集中，造成結(jié)合部的穩(wěn)定性降低，容易產(chǎn)生新路基沿新舊路基結(jié)合面滑移等病害。

由以上分析可見，造成新舊路基不均勻沉降的主要原因包括三方面：(1)新路基在自重作用下的固結(jié)沉降變形；(2)地基在新路基荷載作用下的固結(jié)沉降變形；(3)新舊路基結(jié)合部由于剪應(yīng)力集中造成的強(qiáng)度不足。

3結(jié)語

(1)公路改擴(kuò)建工程中，新路基以邊載的形式作用于舊路基邊坡上，隨著新路基高度的增加，舊路基的沉降也逐漸變大。但由于新舊路基的固結(jié)程度、路基剛度不一致，造成新舊路基之間產(chǎn)生不均勻沉降。因此，路基的不均勻沉降主要是由于新舊路基自身變形的差異化造成的。

(2)新舊路基沉降最大值均出現(xiàn)在路肩邊緣，從分布趨勢來看，路基的沉降分布在新舊路基的結(jié)合部有突變。

(3)由于新舊路基不均勻的沉降，新舊路基的結(jié)合部產(chǎn)生剪應(yīng)力聚集，剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)在新舊路基結(jié)合處的中部。由此可見，新舊路基結(jié)合處是最薄弱的地方，應(yīng)予以重視，可采用開挖臺階、鋪設(shè)土工格柵等處治措施加強(qiáng)新舊路基的結(jié)合力度，保證路基的整體穩(wěn)定性。

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Mechanism Analysis for Uneven Roadbed Settlement of Highway Reconstruction and Expansion Projects

LIAO Jun-tang

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：In highway reconstruction and expansion engineering，the uneven settlement of new and old road-bed is one of common diseases.Therefore，how to reduce the uneven settlement becomes the key in highway reconstruction and expansion projects.According to the characteristics of Guangxi highway reconstruction and expansion projects，this article studied the deformation characteristics of new and old roadbed by using the finite element analysis method，and revealed the generation mechanism of uneven settlement，thereby providing the scientific basis for the design and research of old highway reconstruction and expansion pro-jects.

Keywords：Highway reconstruction and expansion project； New and old roadbed； Uneven settlement； Finite element； Mechanism analysis

收稿日期：2015-04-03

文章編號：1673-4874(2015)05-0019-04

中圖分類號：U418.8

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.006

作者簡介