張中云

（1.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112；2.新型道路材料國家工程實驗室，江蘇 南京 211112）

·道路工程·

路基不均勻沉降對路面結(jié)構(gòu)影響的數(shù)值分析

張中云1，2

（1.蘇交科集團股份有限公司，江蘇 南京 211112；2.新型道路材料國家工程實驗室，江蘇 南京 211112）

文章依托某擴建工程，對路基拼接引起的不均勻沉降對路面結(jié)構(gòu)影響進行數(shù)值分析。研究表明，新老路堤表面施工期末最大差異沉降值為6.869 cm，新老路堤表面各點的工后沉降值從路堤中心線向外不斷減小，路堤中心處沉降值最大為6.12 cm，不均勻沉降為1.17 cm，路面各層結(jié)構(gòu)受力均在允許范圍內(nèi)。

路基工程；路基拼接；不均勻沉降；數(shù)值分析

老路拓寬建設(shè)時期，老路固結(jié)沉降以及次固結(jié)沉降已基本結(jié)束，地基已趨于穩(wěn)定。對于拓寬路段，初始沉降可以在建設(shè)期間完成，但固結(jié)沉降與次固結(jié)沉降是一個長期的過程，在運營期間將會繼續(xù)發(fā)生。老路與新建路之間的差異沉降加上荷載的不均勻性，使得新老路基的沉降變形特性存在較大的差異，對路面結(jié)構(gòu)的受力具有顯著的影響［1］。本文對路基不均勻沉降對路面結(jié)構(gòu)的影響進行了數(shù)值分析，為舊路拼接提供良好的設(shè)計參數(shù)，并為以后舊路拓寬工程提供技術(shù)支撐。

1 新老路基沉降數(shù)值分析

1.1 數(shù)值分析方法概述

由于巖土工程的復(fù)雜性和特殊性，數(shù)值模擬作為解決巖土工程問題的有效手段，已越來越多地應(yīng)用于巖土體穩(wěn)定性、巖土工程設(shè)計和巖土工程基本問題分析中［2］。

本文采用拉格朗日法對路基地基沉降特性進行數(shù)值模擬，在本文數(shù)值分析中，做了如下一些假設(shè)：（1） 按平面應(yīng)變問題處理；（2）路堤填土和地基土的本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb理想彈塑性本構(gòu)模型；（3）地基土中地下水位以下的土體考慮土的固結(jié)；（4）采用初始應(yīng)力狀態(tài)和時間步技術(shù)模擬新老路路堤的先期固結(jié)和分步加載。

1.2 新老路基地基的幾何參數(shù)

原路堤寬度為13 m，雙側(cè)拓寬寬度為8 m。路堤填土高度為3.5 m，地基土層的厚度取40 m（分4層），地基橫向?qū)挾热?00 m。

1.3 加荷歷程

為了模擬實際的新老路堤拼接施工過程，將整個計算過程分為4個時段，即老路堤施工加載期、老路堤工后固結(jié)期、新路堤施工加載期和工后固結(jié)期［3］。為了真實模擬新舊路堤的逐層施工，將路堤分為6層進行增量分析。其中，老路運營一定年限后進行拓寬，拓寬路堤施工期為13個月，設(shè)計年限為15年。

表1 地基和路基填料物理力學(xué)參數(shù)

1.4 計算參數(shù)

地基和路堤填料所用的具體參數(shù)如表1所示。

1.5 網(wǎng)格劃分和邊界條件

地基是一個半無限的空間，在進行數(shù)值分析時只能取一個有限的區(qū)域進行計算，常常將三維空間問題簡化為二維平面問題處理。地基和路堤看成平面應(yīng)變問題分析。地基計算深度取40 m，計算寬度取100 m。本文數(shù)值分析方法采用四邊形單元劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 地基路基網(wǎng)格劃分

根據(jù)路基橫斷面的對稱性，網(wǎng)格劃分取結(jié)構(gòu)的一半。其中，結(jié)構(gòu)左右邊界均為橫向固定約束，無水平位移，不排水；結(jié)構(gòu)前后方向邊界均為沿線路方向固定約束，無縱向位移，不排水；底部為固定約束，無水平、豎直和縱向位移，不排水；上邊界各方向均自由，排水；地下水位線為地表處。

非線性計算中，計算前首先就要確定加荷前初始應(yīng)力狀態(tài)。作為近似估計，采用土體的自重應(yīng)力。本文在以下分析新老路堤變形過程中，對老路堤已經(jīng)發(fā)生的固結(jié)沉降不作深入研究，主要是分析新路堤施工后對老路堤產(chǎn)生的附加變形。故在計算路堤沉降過程中不考慮老路堤已經(jīng)發(fā)生的沉降。

1.6 拓寬后新老路基的變形

拓寬路堤15年固結(jié)期末新老路堤沉降云圖如圖2所示。從沉降云圖可知在拓寬路堤15年固結(jié)期末，新老路堤的整體沉降由老路堤中心處向拓寬路堤方向逐漸增大，到達(dá)拓寬路堤形心附近時沉降達(dá)到最大值，然后向外又逐漸減小至道路外邊緣。

圖2 拓寬后新老路堤沉降云圖

根據(jù)路基橫斷面的對稱性，網(wǎng)格劃分取結(jié)構(gòu)的一半。其中，結(jié)構(gòu)左右邊界均為橫向固定約束，無水平位移，不排水；結(jié)構(gòu)前后方向邊界均為沿線路方向固定約束，無縱向位移，不排水；底部為固定約束，無水平、豎直和縱向位移，不排水；上邊界各方向均自由，排水；地下水位線為地表處［4］。

新老路堤表面的沉降曲線及工后沉降曲線分別如圖3、圖4所示。

圖3 新老路堤表面的沉降曲線

從圖4可以看出，新老路堤表面各點的工后沉降曲線近似呈現(xiàn)正盆形，從路堤中心線向外，沉降值不斷減小，在路堤中心處取得最大值6.12 cm，其中，老路表面（距離老路中心0～13 m）的工后差異沉降率為0.34‰，拓寬路堤表面（距離老路中心13～21 m）的工后差異率為9.02‰，新老路0～21 m范圍內(nèi)工后差異沉降率為0.56‰，即不均勻沉降為1.17 cm。

圖4 新老路堤表面的工后沉降曲線

2 不均勻沉降對路面結(jié)構(gòu)的響應(yīng)

新老路基間的差異沉降的大小與拉應(yīng)力有著密切的關(guān)系，當(dāng)新老路基間的差異沉降達(dá)到一定數(shù)值時，這種不均勻沉降會使得路面結(jié)構(gòu)層中產(chǎn)生附加應(yīng)力，當(dāng)附加應(yīng)力大于路面結(jié)構(gòu)層的容許拉應(yīng)力時，路面結(jié)構(gòu)層將發(fā)生破壞。本文對新老路基地基的不均勻沉降對路面結(jié)構(gòu)層的影響進行分析，并與路面各結(jié)構(gòu)層抗拉強度進行對比分析，從而為路面材料的選擇提供理論依據(jù)。

2.1 不均勻沉降分布模式

對于雙側(cè)拓寬的路基，在路基的橫斷面方向，路基加寬部分的中心沉降量大，兩側(cè)沉降量較?。ㄈ鐖D5所示），本文采用余弦曲線對其進行擬合，沉降方程如下：

式中：δmax為路堤拓寬中點最大工后沉降量；B為1/2拓寬部分路基寬度。

圖5 公路工后沉降分布示意圖

擬合結(jié)果如圖6所示，由圖6可知，余弦曲線對數(shù)值模擬的計算結(jié)果進行擬合，擬合效果較好。

圖6 新老路堤表面的工后沉降與擬合后曲線

2.2 計算模型

本次路基拼接中路面為瀝青混凝土路面。瀝青混凝土路面分為4層體系進行分析，計算模型如圖7所示。

圖7 瀝青路面附加應(yīng)力計算模型

計算中采用如下假定：

（1） 路面各結(jié)構(gòu)層為連續(xù)均質(zhì)、各向同性線彈性材料，力學(xué)特性用彈性模量E和泊松比μ表征；

（2） 路面各結(jié)構(gòu)層在垂直方向完全連續(xù)，即路基不均勻沉降隨使用時間緩慢增長，路面各結(jié)構(gòu)層在交通荷載與自重作用下隨之下沉，層間不會出現(xiàn)脫空現(xiàn)象；面層、基層和底基層間為連續(xù)接觸條件，考慮到底基層材料與路基之間變形的不協(xié)調(diào)性，其層間處理為光滑接觸條件；

（3）均勻的路基下沉對路面結(jié)構(gòu)的影響不大，故只考慮不均勻沉降引起的附加應(yīng)力；

（4）按平面應(yīng)變問題分析。

2.3 計算參數(shù)的選取

路面寬度為42 m，瀝青路面結(jié)構(gòu)層總厚度為74 cm，各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)取值如表2所示。

表2 路面各結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)

2.4 計算分析與結(jié)論

本文中的路基地基的不均勻沉降值為1.17 cm，路面的受力分析如圖8所示，附加應(yīng)力計算結(jié)果如圖9所示。

圖8 不均勻沉降1.17 cm的附加應(yīng)力計算模型

圖9 不均勻沉降為1.17 cm的附加應(yīng)力計算結(jié)果

由圖9可知，路面不均勻沉降為1.17cm時，瀝青路面受壓力，基層及底基層下層受拉力，但所受拉力均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于各結(jié)構(gòu)層的抗拉強度。

3 結(jié)論

（1）新老路堤表施工期末最大差異沉降值為6.869 cm；

（2）新老路堤表面各點的工后沉降曲線近似呈現(xiàn)正盆形，從路堤中心線向外，沉降值不斷減小，在路堤中心處取得最大值6.12 cm，不均勻沉降為1.17 cm；

（3）在不均勻沉降作用下，路面各層結(jié)構(gòu)受力均在允許范圍內(nèi)。

［1］桂炎德，徐立新.滬杭甬高速公路（紅墾至沽渚段）拓寬工程設(shè)計方法［J］.華東公路，2001（6）：3-6.

［2］Richard J. Deschamps，Christopher S. Hynes，Philippe Bourdeau，Embankment widening design guidelines and construction procedures［R］. Research Project Final Report：Purdue University，1999.

［3］李又云.同時考慮加荷、變形和時間的公路軟基固結(jié)沉降理論及仿真的研究［D］.西安：西安公路交通大學(xué)，2000.

［4］唐朝生，劉義懷，施斌，等.新老路基拼接中差異沉降的數(shù)值模擬［J］.中國公路學(xué)報，2007，20（2）：13-17.

Numerical Analysis of Influence of Differential Subgrade Settlement on Pavement Structure

Zhang Zhongyun1，2
（1. JSTI Group， Nanjing 211112， China； 2. National Engineering Laboratory for Advanced Road Materials， Nanjing 211112， China）

Taking an extended engineering as a background， the paper analyzes the influence of differential subgrade settlement on pavement structure. The results show that the maximum differential settlement is 6.869cm on the surface of new and old subgrade in final construction period. The post-construction settlements of old and new subgrade surface are gradually decreasing from the center line of embankment， the maximum settlement value is 6.12 cm at the center line of the subgrade， and differential settlement is 1.17cm， pavement structure stress of each layer is within the scope of the permit.

subgrade engineering； subgrade connecting； differential settlement； numerical analysis

U416.1

A

1672-9889（2016）01-0001-03

廣東省交通廳科技項目（項目編號：2005-02-07）

張中云（1979-），女，遼寧朝陽人，工程師，主要從事道路工程設(shè)計工作。

2015-04-20）