基于數(shù)值法的公路擴(kuò)建前后新老路基沉降特性分析

仲 敏

（中鐵建大橋工程局集團(tuán)第四工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

在公路修建項(xiàng)目的施工中，常常遇到因新老路基沉降差異造成的工程問(wèn)題，這些問(wèn)題會(huì)影響工程的進(jìn)度和施工質(zhì)量，一直以來(lái)度備受學(xué)者的關(guān)注。

不少學(xué)者針對(duì)該問(wèn)題，從多個(gè)角度研究了導(dǎo)致新老路基發(fā)生不均勻沉降的工程問(wèn)題，如擴(kuò)寬條件的差異、在路基拼接出施工方案的不同、路基填料選材的不同等。

原有的地質(zhì)條件極大的影響著路基拼接處的施工工藝選擇。改建公路的項(xiàng)目在我國(guó)中東部地區(qū)十分常見，因?yàn)檫@里的地基土多為軟土。此類地質(zhì)條件的公路擴(kuò)建多采用擴(kuò)寬設(shè)計(jì)。

因此，該文研究新老路基的沉降差異特性，對(duì)中東部地區(qū)的公路路基擴(kuò)寬項(xiàng)目具有指導(dǎo)意義。

該文以某國(guó)道公路的擴(kuò)建工程為研究背景，運(yùn)用有限元數(shù)值模擬技術(shù)研究了擴(kuò)建過(guò)程中的軟土地基加固的問(wèn)題，采用有限元數(shù)值分析的方法，對(duì)施工流程中的開挖方式、坡度、固結(jié)度、軟基深度以及軟土壓縮模量等參數(shù)進(jìn)行模擬，研究了不同因素對(duì)新老路基沉降特性的影響。

1 工程概況

某國(guó)道公路路基由7.5 m擴(kuò)寬為12 m。擴(kuò)寬路段的平面設(shè)計(jì)中心線與老路保持一致，路面由6.0 m擴(kuò)寬至10.5 m，兩側(cè)路基各加寬2.25 m。該路段全長(zhǎng)34.026 km，工程要求將三級(jí)的水泥混凝土路升級(jí)為二級(jí)的瀝青混凝土路?？v面設(shè)計(jì)先將老路破碎挖除，然后鋪設(shè)60 cm~70 cm厚的水泥穩(wěn)定底基層，在底基層上鋪設(shè)11 cm厚的改性瀝青混凝土面層。假設(shè)路基的橫斷面沿中心線對(duì)稱分布，路基高為6 m，考慮路面的等效荷載為1 m，則新、老路基的邊坡率定為1∶1.5。路基加寬部分的軟弱地基采用復(fù)合地基處理。

2 數(shù)值模擬

2.1 建立有限元模型

根據(jù)施工工況以及地質(zhì)條件，通過(guò)PLAXIS軟件模擬路基加寬過(guò)程，由于路基長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于寬度，路基寬度可忽略不計(jì)，因此可采用二維模型。以路基底部20m，寬100m為研究對(duì)象，模型路面寬度為6m，加寬后路面寬度為10.5m，路基原寬度為7.5m，加寬后路基寬度為12m，路基高為6m，路基邊坡坡率為1∶1.5。

2.2 參數(shù)計(jì)算

地勘資料顯示，擴(kuò)建地區(qū)的地基土從上到下分為亞黏土、淤泥質(zhì)土以及粉土質(zhì)砂3層。地基土的埋深與土層分布見表1。路基土層計(jì)算參數(shù)見表2。

表1 地基土的埋深與土層分布

表2 路基土層計(jì)算參數(shù)

2.3 填筑加載歷時(shí)

計(jì)算工況分別如下：1）老路運(yùn)營(yíng)時(shí)間為8年，新路施工周期為2年。2）新路施工1.5年，新路完工后運(yùn)營(yíng)15年。

新路和老路填筑歷時(shí)見表3。

表3 老路和新路填筑歷時(shí)

3 新、老路基的沉降特性分析

該文著重對(duì)比了新、老路基在修建過(guò)程中開挖的方法、開挖的坡度、軟基壓縮模量等對(duì)路基沉降量額橫坡比的影響，進(jìn)一步探究軟弱土質(zhì)區(qū)域公路擴(kuò)建的新老路基沉降演化規(guī)律。圖1為加寬施工完成后的沉降分布圖。從圖中可以看出路基沉降規(guī)律符合實(shí)際情況，說(shuō)明該文建立的模型的合理性。

圖1 加寬施工完成后的沉降分布圖

3.1 開挖方式的影響

計(jì)算工況如下：1）新、老路基均采用臺(tái)階式開挖，開挖寬度1.5 m，開挖高度1.0 m。2）邊坡開挖坡率為1∶0.5。不同的路基開挖方式對(duì)地表附加沉降量的影響如圖2所示。

圖2 開挖方式對(duì)地表沉降的影響

由圖2可以看出，采用臺(tái)階式對(duì)老路邊坡開挖時(shí)，路基中心處的附加沉降值為7.4 cm；當(dāng)開挖方式變?yōu)檫吰麻_挖后，路基中心處的附加沉降值增大到9.3 cm，沉降量增加了2.57%。這現(xiàn)象說(shuō)明采用臺(tái)階式邊坡開挖有利于減少新路基對(duì)老路基的附加沉降問(wèn)題。由圖1可知，新路采用邊坡開挖的最大沉降值為20.2 cm，與臺(tái)階式開挖相比，附加沉降增大了11.6%，增長(zhǎng)了2.1 cm，并且在老路的坡腳處發(fā)最生大沉降。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，采用臺(tái)階式開挖后新老路基的沉降顯著減少。

采用不同的開挖方式對(duì)新老路基橫坡比的影響，見表4。

由表4可知，路基的開挖方式由邊坡開挖變?yōu)榕_(tái)階式開挖后，路基的橫坡比大幅降低；其中老路竣工后的橫坡比降低了14%，新路的竣工后的橫坡比降低了26%，新老路在改變開挖方式后，橫坡比僅降低了4%，變化不明顯。通過(guò)數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，采用臺(tái)階式挖可以顯著減少新路和老路基的橫坡比，并且在竣工和工后運(yùn)營(yíng)期間對(duì)路基橫坡比產(chǎn)生的影響更小。

表4 不同開挖方式新老路橫坡比變化（單位：%）

3.2 開挖坡度的影響

老路基開挖設(shè)置1∶0.50，1∶0.75，1∶1.00三種坡率，對(duì)這3種工況進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，得到不同開挖坡度與地表附加沉降的關(guān)系，如圖3所示。

由圖3可知，隨著開挖坡率降低，地表的附加沉降量逐漸減少。當(dāng)坡率由1∶0.5增加到1∶0.75后，老路的最大附加沉降值從30.1 cm減少到27.4 cm，降低了9%；坡率由1∶0.75增加到1∶1.00后，老路的最大附加沉降值從27.4cm降為25.2cm，降低了8%。從沉降最大值的發(fā)生位置可以看出，最大沉降量均出現(xiàn)在老路坡腳附近。與老路相比，開挖坡率的變化對(duì)新路路基的沉降影響較小。

圖3 開挖坡度對(duì)地表附加沉降的影響

不同的開挖坡率對(duì)新老路路基橫坡比影響見表5。

由表5中數(shù)據(jù)可知，隨著開挖坡率減少，老路的竣工后橫坡比由最先0.98%下降為0.82%，降低了16.3%；新路的竣工后橫坡比由最先1.79%下降為1.78%，下降幅度很小，僅有2.2%；新老路的竣工后橫坡比由最先1.22%下降為1.08%，降低了11.5%。比較運(yùn)營(yíng)15年后的各種路基的橫坡比隨開挖坡度的變化發(fā)現(xiàn)，隨坡率降低，老路的橫坡比下降了21%；新路的橫坡比上漲了1.7%；新老路的橫坡比下降了12%。通過(guò)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，開挖坡率的降低有助于老路橫坡比降低，但對(duì)新路的橫坡比影響不明顯。

表5 不同開挖坡率新老路基橫坡比變化（單位：%）

3.3 固結(jié)度的影響

對(duì)運(yùn)營(yíng)周期不長(zhǎng)的路段來(lái)說(shuō)，在長(zhǎng)期的車輛荷載作用下，還會(huì)出現(xiàn)一定的固結(jié)，沉降還未結(jié)束，因此還需要考慮老路固結(jié)度變化對(duì)沉降特性的影響。

在計(jì)算老路沉降固結(jié)時(shí)，將擴(kuò)寬部分的的路基荷載作為下一級(jí)荷載施加，計(jì)算擴(kuò)寬部分的固結(jié)。該文在計(jì)算時(shí)取老路固結(jié)度的值為0.8、0.9、1.0。地表沉降隨固結(jié)度的變化如圖4所示。

由圖4可知，隨著老路固結(jié)度的增大，老路的附加沉降逐漸減少。當(dāng)?shù)娜≈祻?.8增至0.9，從0.9增至1.0時(shí)，老路的中心處的沉降量分別減少了21.6%和35.5%。由此可以看出，老路的固結(jié)沉降將會(huì)給計(jì)算結(jié)果帶來(lái)巨大的影響，因此在計(jì)算路基沉降時(shí)必須考慮老路的固結(jié)度。隨著老路固結(jié)度的增大，新路的附加沉降逐漸減少，當(dāng)?shù)娜≈祻?.8增至0.9，從0.9增至1.0時(shí)，新路的最大沉降量由21.9 cm降至21.1cm和19.5cm。新路的沉降會(huì)受到老路沉降的影響，兩者之間存在相互作用的現(xiàn)象。

圖4 固結(jié)度對(duì)地表附加沉降的影響

不同的固結(jié)度對(duì)新老路路基橫坡比影響見表6。

表6 新老路橫坡比隨老路固結(jié)度的變化（單位： %）

由表6可知，隨著老路的固結(jié)度增大，道路的橫坡比也逐漸增大，固結(jié)每上升0.1，橫坡比在原有基礎(chǔ)上增大50%左右。由于老路固結(jié)度的上升，新老路的沉降差異減少。

3.4 軟基深度

設(shè)計(jì)7.0 m、10.0 m、13.4 m等3個(gè)不同的軟基施工深度，探究軟基深度不同時(shí)，路基地表沉降量的變化規(guī)律，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，軟基深度與路基的附加沉降量的變化呈正相關(guān)。隨著軟基深度由7m增加到10m，再增加到13.4m，新路的最大沉降量分別增加了0.7cm和0.6cm；老路中心處的沉降量分別增長(zhǎng)了4.8%和5.7%。從圖中的變化趨勢(shì)可以看出，隨著軟基深度的增加，附加沉降曲線呈平行下移的態(tài)勢(shì)，說(shuō)明軟基的對(duì)路基的沉降影響是整體性的。

圖5 軟土厚度對(duì)的地表沉降的影響

由表7可知，軟基深度增加后，老路的橫坡比會(huì)小幅度增長(zhǎng)，漲幅僅為0.03%；新路和新老路的路基橫坡比變幅度不大。無(wú)論是竣工后還是運(yùn)營(yíng)15年后，軟基深度對(duì)路基的橫坡比基本無(wú)影響。

表7 新老路橫坡比隨軟土厚度的變化（單位：%)

3.5 軟基壓縮模量的影響

該文設(shè)計(jì)3個(gè)軟基壓縮模量（1000，2000，3000 kPa）對(duì)路基的沉降特性進(jìn)行有限元數(shù)值分析，探究不同壓縮模量對(duì)路基沉降特性的影響分別進(jìn)行有限元數(shù)值分析。試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出，地表的附加沉降量的發(fā)展與軟基壓縮模量呈負(fù)相關(guān)，隨著壓縮模量（土體剛度）的增大，附加沉降值越來(lái)越小。當(dāng)壓縮模量從1000 kPa增加到3000 kPa后，老路的中心處附件沉降值由12 cm降至8.4 cm，降低了30%；新路的最大附件沉降值由22.4 cm降至18.7 cm，降低了16.5%。從圖中可以看出，與壓縮模量從1000kPa增至2000kPa相比，當(dāng)壓縮模量從2000kPa增至3000kPa時(shí)，路基沉降減少量更少，并且最大沉降出現(xiàn)的位置隨著壓縮模量增加逐漸向外移動(dòng)。通過(guò)上述分析可以說(shuō)明，當(dāng)天然路基的強(qiáng)度較低時(shí)，采用固化處理能夠更好地解決路基的沉降問(wèn)題。

圖6 壓縮模量對(duì)地表附加沉降的影響

不同的軟土壓縮模量對(duì)新老路路基橫坡比影響，見表8。

表8 新老路橫坡比隨軟土壓縮模E的變化（單位：%）

由表8可知，隨著軟基壓縮模量的增大，老路的橫坡比逐漸減少，竣工后橫坡比減少了16%，運(yùn)營(yíng)15年后橫坡比減少了18%；而新路的橫坡比逐漸增大，竣工后橫坡比增加了15%，運(yùn)營(yíng)15年后橫坡比增加了16%。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是新路基在加固處理時(shí)，與老路基連接的部分存在強(qiáng)度缺陷，導(dǎo)致老路基的路肩與新路肩的沉降量差距擴(kuò)大。從表8中數(shù)據(jù)可知，隨壓縮模量的增大，新老路基的橫坡比有明顯減少。上述分析表明，在進(jìn)行路基擴(kuò)寬時(shí)，提高路基土的壓縮模量可以遏制新、老路基的不均勻沉降。

4 結(jié)論

該文以某國(guó)道公路的擴(kuò)建工程為研究背景，運(yùn)用有限元數(shù)值模擬探究了開挖方式、開挖坡率、軟土壓縮模量等對(duì)路基沉降差異的影響，試驗(yàn)結(jié)論如下。1）相較于邊坡開挖，臺(tái)階式開挖后新老路基的沉降顯著減少，在竣工和工后運(yùn)營(yíng)期間對(duì)路基橫坡比產(chǎn)生的影響更小。2）隨著開挖坡率的減少，地表的附加沉降量逐漸減少。與老路相比，開挖坡率的變化對(duì)新路路基的沉降影響較小。3）開挖坡率的減少有助于老路橫坡比的降低，但對(duì)新路的橫坡比影響不明顯。4）隨軟基深度的增加，附加沉降曲線呈平行下移的態(tài)勢(shì)，說(shuō)明軟基的對(duì)路基的沉降影響是整體性的。但對(duì)路基的橫坡比基本無(wú)影響。5）天然路基的強(qiáng)度較低時(shí)，采用固化處理能夠更好的改善路基的沉降問(wèn)題。在進(jìn)行路基擴(kuò)寬時(shí)，提高路基土的壓縮模量可以遏制新、老路基的不均勻沉降。