基于ABAQUS軟件對路基拓寬沉降規(guī)律的分析

文/新疆新紀(jì)元公路設(shè)計有限責(zé)任公司 楊靜

工程概況

新疆某主干道路原為雙向四車道，路基半幅寬度為13m，路基高4m，通行能力和使用質(zhì)量都已經(jīng)無法滿足當(dāng)前交通需求。因此對其加寬拼接，改造為雙向八車道，新路基半幅寬度增加8m。根據(jù)以往路基工程經(jīng)驗表明，若舊路基加寬后處理不當(dāng)，會導(dǎo)致路面開裂、路基沉陷等現(xiàn)象。

數(shù)值建模

ABAQUS是一種將偏微分方程（組）離散化的數(shù)值求解方法，ABAQUS功能強大，內(nèi)置各類材料的本構(gòu)模型、強度失效準(zhǔn)則，包括線彈性模型、Mohr-Coulomb模型、Druker-Prager模型、Cam-Clay模型、滲透材料模型等。ABAQUS既可以模擬材料結(jié)構(gòu)線性變化，又可以模擬復(fù)雜的非線性問題，解決一些復(fù)雜的工程問題。

地基土、路基土模擬主要借助ABAQUS軟件內(nèi)置的Mohr-Coulomb模型，假設(shè)路基為對稱結(jié)構(gòu)且足夠長，舊路基下的地基沉降穩(wěn)定，地基土、新舊路基采取四邊形模擬單元。模型原有路基半幅寬13m，新路基半幅寬擴大了8m，邊坡坡度、路基高度的幾何模型分別設(shè)計為1∶1.5、4m。模型的最大模擬深度設(shè)置為-60m，為了保證模擬的準(zhǔn)確性，路基寬度模擬邊界增加至實際路基寬度外側(cè)60m處。為了求得模型初始應(yīng)力場分布，將模型運算到舊路基平衡狀態(tài)，然后對模型填土荷載逐級加載，土體材料參數(shù)如表1所示。

差異沉降特性分析

路基土層的物理屬性屬于顆粒、水、空氣的三相綜合體。高速公路路基土體受到混凝土路面的擠壓應(yīng)力，當(dāng)路基土層長期受壓后，釋放出土層內(nèi)部的水、空氣，最終導(dǎo)致路基后期出現(xiàn)顯著的變形沉降。路基土層的碾壓方式選為分層碾壓施工，一般而言，通過壓路機的頻繁碾壓，可以保證路基的壓實度，但在實際施工中發(fā)現(xiàn)地基壓實的效果并不明顯。

圖1 路基豎向位移示意圖

圖2 路基豎向應(yīng)力示意圖

圖3 路基水平位移示意圖

表1 路基土體材料參數(shù)

如圖1所示，拓寬前，舊路基中心線處出現(xiàn)了最大豎向位移，最大豎向位移沉降分布形態(tài)為半盆形，拓寬后最大豎向位移呈倒鐘形分布，主要出現(xiàn)在新路基一側(cè)。

如圖2所示，路基在進行拓寬施工前，原始路基的最大豎向壓力主要集中于地基上層面，進一步分析可知，其豎向應(yīng)力的大小與地基深度大小成反比關(guān)系，拓寬后，豎向應(yīng)力的最大值呈現(xiàn)明顯增大趨勢，在新鋪設(shè)路基底層中心處出現(xiàn)了最大豎向應(yīng)力值。

如圖3所示，路基拓寬前地基水平位移峰值出現(xiàn)在舊路基正下方，水平方向位移基本上為零，路基拓寬后，水平位移峰值出現(xiàn)在新鋪設(shè)路基坡腳下邊緣。在新舊路基接觸處出現(xiàn)了臨界狀態(tài)，距離舊路基越近，發(fā)生水平位移的程度越小，位移值越小，距離新路基越近，其水平位移值越大。

路基變形影響分析

單側(cè)加寬對路基變形的影響。依據(jù)工程實際，對模擬方案為填方舊路基+單側(cè)填方新路基拼接，其中路基單側(cè)加寬寬度取值分別為4m、8m、12m、16m。路基加寬到4m、8m、12m、16m時，最大豎向沉降值分別為12.1mm、21.4mm、27.0mm、30.2mm。綜合分析，隨著路基寬度增加，路基豎向沉降也隨之增加，路基擴寬后對原始地基產(chǎn)生了不均勻荷載，沉降數(shù)值的分布規(guī)律呈現(xiàn)出由路基中心向外先增大后減小的趨勢，且隨路基寬度的增加，沉降極值逐漸靠外。

圖4 加寬大小對路基沉降的影響

圖5 不同加寬與路基表面最大差異沉降變化

圖6 不同加寬對基底沉降的影響

兩側(cè)加寬對路基變形的影響。由于路基為對稱結(jié)構(gòu)，所以模型取一半計算，兩側(cè)加寬時每側(cè)加寬的寬度為2m、4m、6m、8m。

如圖4所示，兩側(cè)路基加寬后，原有路基中心的沉降越來越明顯，路基加寬至4m、8m、12m、16m時，路基中心豎向沉降值分別為2mm、4.5mm、6.3mm、7.7mm，拓寬寬度的增幅與沉降增加的差異程度沒有明顯的比例關(guān)系。拓寬越大，路基中心沉降越大，隨路基加寬越來越大沉降增幅逐漸減小。

如圖5與圖6所示，兩側(cè)不同拓寬寬度與單側(cè)加寬時路基表面及基底的沉降曲線均類似，從路基中心向外表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。隨拓寬值加大，沉降較大的區(qū)域有向外側(cè)邊緣發(fā)展的趨勢。單側(cè)和雙側(cè)加寬拓寬道路的不同之處是：

若采用兩側(cè)路基加寬方案，新舊路基差異沉降少，當(dāng)前實際施工中，為了保證道路兩側(cè)的受力均勻，通常會采用兩側(cè)加寬路基的方案，路基兩側(cè)均加寬后，路基整體對原有路基附著力提高，新舊路基結(jié)合為一個整體，呈現(xiàn)整體性的沉降，故新舊路基之間差異沉降較小。從建造成本來分析兩側(cè)加寬，一是施工難度加大，二是運營與施工成本加大。

結(jié)語

拓寬后最大豎向位移呈倒鐘形分布，主要出現(xiàn)在新路基一側(cè)。拓寬后，豎向應(yīng)力的最大值呈現(xiàn)明顯增大趨勢，在新鋪設(shè)路基底層中心處出現(xiàn)了最大豎向應(yīng)力值。路基拓寬前，地基水平位移峰值出現(xiàn)在舊路基正下方，路基拓寬后，水平位移峰值出現(xiàn)在新鋪設(shè)路基坡腳下邊緣。

經(jīng)過對比兩種加寬路基的方案，采用兩側(cè)路基加寬，新舊路基差異沉降少，保證了道路兩側(cè)的受力均勻，路基整體性強對原有路基附著力提高，新舊路基呈現(xiàn)整體性的沉降，新舊路基之間差異沉降較小。