新舊路基界面形式對路基加寬的影響分析

石 和 杰

(中國鐵建港航局集團有限公司，廣東 珠海 519070)

0 引言

近年來，隨著我國社會不斷發(fā)展經(jīng)濟實力的提高，交通運輸業(yè)發(fā)展迅速，原本的路基寬度、等級已經(jīng)無法滿足不斷發(fā)展的社會環(huán)境，必須加大路基擴建工程拼接施工的力度，這就要求我們拓展路基寬度和提升路基等級，滿足社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的需要[1]。但是原路基已基本完成沉降過程，拓寬的新路基還會有固結(jié)沉降過程，這會使新舊路基之間出現(xiàn)差異沉降，影響公路的正常使用[2,3]，尤其對于軟土或者軟硬不均地基存在的地區(qū)，地基承載力低，原路基段即使未完成全固結(jié)，其地基土的性質(zhì)也有了一定的改善，在汽車等荷載作用下，對于拓寬后的新路基將產(chǎn)生一定的沉降，致使拓寬前后新老路基發(fā)生不均勻沉降，進而在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生過大的集中應(yīng)力，一旦超過路面材料本身的容許強度，路面便會發(fā)生開裂、沉陷等病害[4,5]。

現(xiàn)今，S356一級公路某段項目土建工程施工第01標段為路基改擴建段，并且這一改擴建段區(qū)域內(nèi)路基土體主要為軟土，軟土地基的性能特點可能顯著加劇新舊路基的差異沉降，并且極大減弱新舊路基交界面的強度。新舊路基的交界面將是人為造成的一個薄弱面，亦是差異變形顯著位置。嚴重時，當在新填筑路基圍壓不夠時，易沿著該薄弱面造成路基外擠、垮塌事故。因此，探究不同路基拓寬的界面形式路基加寬的沉降規(guī)律，解決新舊路基差異沉降是類似改擴建路基工程施工的一個難題。另外，新舊路基由于填筑的時間差，所受應(yīng)力歷史、固結(jié)程度的差異，可能進一步加劇這一過程[6]。因此，基于上述工程難題，有必要研究不同界面形式路基加寬的沉降規(guī)律，目前較為常用的兩種加寬形式分別是斜坡式加寬和臺階式加寬，針對這兩種常用的加寬形式，本文通過顆粒流對路基拓寬的界面形式進行數(shù)值模擬研究，總結(jié)兩種界面形式路基加寬的沉降規(guī)律，可以為本項目及類似的路基加寬項目路基加寬方式的選擇提供一定的參考。

1 工程實例

1.1 工程概況

本工程項目為S356一級公路某段項目土建工程施工第01標段，位于咸寧市咸安區(qū)橫溝鎮(zhèn)內(nèi)，主線樁號范圍K0+000～K5+600，全長5.6 km。采用雙向四車道高速公路標準建設(shè)，設(shè)計時速60 km/h，整體式路基寬度20 m，分離式路基寬度19.50 m，橋設(shè)計荷載為公路Ⅰ級。主要工程量有路基挖土方73 640.2 m3，挖石方20 059 m3；涵洞為7道，本工程項目同時包含K0+000～K3+200范圍內(nèi)的附屬路面加輔施工。路基為整體式路基，部分分離，整體式路基寬度20 m，分離式路基寬度19.50 m，路基挖土方約73 640.2 m3，路基填土方約46 136.2 m3，棄方數(shù)量較小，需棄土石方約16 697.7 m3，沿線軟土路基呈點狀或帶狀零星分布。

1.2 工程地質(zhì)條件

本工程所在區(qū)域地貌主要以侵蝕剝蝕崗地地貌為主，崗體呈饅頭狀分布或壟崗狀相間排列，崗頂較平齊，一般高程小于40 m～100 m，高差10 m～30 m。根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪、鉆探揭露情況，工程區(qū)域大部分為人工填土、第四系全新統(tǒng)沖積層及第四系中—上更新統(tǒng)殘坡積土層覆蓋，下伏第三系—白堊系(K2-R)砂巖、礫巖，舊路沿線切方可見地表覆蓋第四系殘坡積粉質(zhì)黏土或含碎石粉質(zhì)黏土，一般厚約為0.5 m～3 m，之下為全風化砂巖和礫巖，局部見頁巖出露，低洼沖溝內(nèi)主要為沖積粉質(zhì)黏土，一般厚度大于5 m。

1.3 水文地質(zhì)條件

本工程區(qū)域氣候濕潤，雨量充沛，地表徑流發(fā)育，低洼沖溝處和崗地多溪溝和水塘及人工渠道。豐富的地表水為區(qū)內(nèi)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和居民用水提供了便利，也為本項目的建設(shè)提供了有利條件。水文地質(zhì)條件相對簡單，地下水主要有松散巖類孔隙水及基巖裂隙水兩類，地下水補給來源有大氣降水的下滲，溝渠、溪溝及灌溉入滲補給。地下水與溝塘、溪溝等地表水體具有較強的互補性，豐水期地下水上升，補給周圍的地表水體，枯水期則反之。根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，判定環(huán)境水對混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋均具微腐蝕性。

2 數(shù)值模擬

路基加寬變形過程采用離散元軟件進行模擬，對路基加寬過程以及加寬之后碾壓過程進行數(shù)值分析。為了便于觀察路基加寬過程中路堤高度的變化，本文模型的尺寸為長為20 m，高為5.33 m，路基邊坡比為1∶1.5。模型中路基分為4層，如表1所示。

表1 路基土層參數(shù)

2.1 模型參數(shù)

本文顆粒結(jié)構(gòu)模型假定：1)定義最大、最小粒徑之后，模型中的顆粒半徑在最大與最小粒徑均勻分布，按照給定的初始孔隙率的大小不同的顆粒分布在模型四面“墻”的封閉區(qū)域中。2)顆粒的形狀為圓形，水泥以及瀝青采用的是平行黏結(jié)模型，墊層采用點線性模型。3)在路面碾壓過程中，模型中的顆粒不會破碎。4)本文采用的是顆粒為各向同性的剛性顆粒，模型中的“墻”為剛性邊界。5)本文采用的是二維平面軸對稱來模擬路面加寬變形過程。

根據(jù)路基現(xiàn)場試驗情況，采用200 mm為顆粒的最大粒徑，20 mm為顆粒的最小粒徑。建立路基加寬顆粒流模型，左右邊界條件為左右墻體保持位置不變，即墻體運動速度為零，通過伺服控制系統(tǒng)來強迫模型達到路基加寬模型理想的模擬狀態(tài)。完成上述工作后，通過上下墻體來施加荷載，進行路基工程加寬過程中界面形式的響應(yīng)分析。

根據(jù)路基加寬施工的實際情況建立相應(yīng)的施工加寬過程。兩種加寬界面形式路基加寬，斜坡式加寬與臺階式加寬，進行分層壓實，最后通過碾壓過程來達到設(shè)計標高，通過測量顆粒流中的配位數(shù)的變化，來說明顆粒中的壓實度。

2.2 模型的建立

通過軟件內(nèi)置的fish語言建立如圖1的顆粒流數(shù)值模型，圖1模型是直接在斜坡加寬(斜坡式界面)，圖2模型是臺階式路基加寬(臺階式界面)，通過對比這兩種新舊界面形式的路基加寬數(shù)值模擬來分析路基加寬沉降結(jié)果。

為了獲得路基加寬后路面碾壓對路基的影響，在該模型中設(shè)置三個測量圓，分別從左至右設(shè)置2,1,3測量點。通過監(jiān)測相關(guān)結(jié)果，從而得出不同界面形式路基孔隙率、配位數(shù)以及顆粒位移場的變化規(guī)律。

數(shù)值模擬過程分析，首先，進行自重應(yīng)力作用下的變化，由于未加豎向荷載時，生成顆粒的孔隙率比較大，給顆粒賦予密度屬性，讓其在自重應(yīng)力作用下固結(jié)，讓小直徑的顆粒填充到大直徑的顆?？障吨腥?，其次，在數(shù)值模擬達到平衡后，進行路基豎向碾壓，在上部墻體施加作用力，當上部墻體與顆粒作用下，顆粒之間開始被擠密，顆粒與顆粒之間的接觸力越來越大，最后，通過碾壓到目標標高，分析顆粒與顆粒之間的相互作用。

圖3與圖4分別是斜坡式和臺階式界面形式路基加寬顆粒之間的接觸受力圖，可以得到在路基加寬后的斜坡邊的接觸力相對于路基中間比較小。通過對比斜坡式與臺階式界面形式路基加寬受力分析，臺階式的接觸力比斜坡式接觸力小。

斜坡式路基加寬模型的顆粒之間的相對運動趨勢如圖5所示，越靠近路基中心的速度垂直向下，到斜坡的速度方向偏向斜坡。圖6為臺階式路基加寬顆粒之間速度趨勢圖，顆粒的速度運動趨勢比較一致。相比兩種路基加寬形式，斜坡式界面受到碾壓產(chǎn)生與邊坡方向滑移，容易產(chǎn)生差異化沉降。

圖7與圖8分別表明斜坡式與臺階式路基加寬在碾壓過程中，顆粒之間的位移場的變化趨勢，離路面距離越近，顆粒的豎向位移越大。臺階式界面加寬比斜坡式界面加寬的顆粒的豎向位移要小，且界面處的側(cè)向位移相對而言要小。

3 結(jié)語

本文通過顆粒流軟件模擬路基加寬數(shù)值模型，分析碾壓過程中斜坡式路基加寬和臺階式路基加寬的內(nèi)部沉降規(guī)律，研究新舊路基交界面形式對路基沉降的影響。主要結(jié)論如下：

通過建立兩種不同新舊路基交界面形式的顆粒流數(shù)值模型，通過碾壓達到設(shè)計標高，斜坡式界面形式會在路基邊坡上產(chǎn)生滑移，臺階式的路基孔隙率較低，壓實效果好。路基加寬沉降結(jié)果表明，臺階式界面形式的沉降速度快，碾壓次數(shù)少。