薛 洋

（新疆瑞路豐工程技術(shù)有限公司，新疆 昌吉 831100）

引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，公路交通流量及交通荷載持續(xù)增長(zhǎng)，導(dǎo)致早期修建的公路已無(wú)法滿足通行需求。因此，為提高道路通行能力，我國(guó)開(kāi)始大規(guī)模開(kāi)展公路路基拓寬工程。劉展瑞等[1]采用有限元數(shù)值分析和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的方法建立舊路基分析模型，探討了舊路基不同換填深度對(duì)新舊路基應(yīng)力和差異的影響。陳超[2]通過(guò)建立拓寬段不同路基填土參數(shù)下的力學(xué)計(jì)算模型，研究了高速公路不同路基填土參數(shù)對(duì)豎向位移、水平位移、豎向應(yīng)力、剪應(yīng)力等力學(xué)行為的影響。張?zhí)兜萚3]利用有限元軟件建立四級(jí)公路單側(cè)拓寬、雙側(cè)拓寬、挖除重筑三種拓寬方式數(shù)值模型，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)，分析了不同拓寬方式下路基不均勻沉降特性。衛(wèi)高明[4]以某高速公路路基拓寬工程為例，采用數(shù)值模擬分析了不同路基拓寬寬度下的路基變形、地基變形及路面橫坡的變化規(guī)律?，F(xiàn)有研究大多是針對(duì)單一參數(shù)對(duì)拓寬路基變形的影響，缺乏不同設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)拓寬路基變形影響的系統(tǒng)性研究。

1 工程概況

某城市高等級(jí)公路，全長(zhǎng)7.62 km，原有路面寬度為12.5 m，車道設(shè)計(jì)為雙向四車道，最高行駛速度為70 km/h，安全等級(jí)為公路Ⅰ級(jí)，路基高度為6 m，邊坡比為1 ∶1.5，目前已運(yùn)營(yíng)10 a。現(xiàn)由于交通量的不斷增大，原設(shè)計(jì)車道數(shù)已無(wú)法滿足運(yùn)營(yíng)需求，因此，計(jì)劃對(duì)原有雙向路基進(jìn)行拓寬，以提高該線路的運(yùn)營(yíng)能力。拓寬后路基寬度由12.5 m 增至24.5 m，車道增至雙向八車道，路基高度與邊坡比均保持不變，拓寬方式采用雙側(cè)同時(shí)拓寬路基，單側(cè)拓寬寬度為6 m。新舊路基采用臺(tái)階式拼接方式，并采用夯擊法對(duì)拼接處進(jìn)行加固，臺(tái)階寬度為2 m。新路基填筑分為4 層，每層填筑高度為1.5 m。根據(jù)原有地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果顯示，地基土層主要包括2 m 厚硬殼層、10 m 厚亞黏土層和12 m 厚淤泥質(zhì)黏土層。拓寬路基截面見(jiàn)圖1。

圖1 拓寬路基/m

2 建立模型

運(yùn)用有限元軟件ABAQUS 建立拓寬路基數(shù)值模型，模型中擬定路基為不透水彈性材料，采用四節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變單元模擬，擬定地基為透水塑性材料，采用平面應(yīng)變空隙水壓力單元模擬，計(jì)算模型共包含637 個(gè)單元和732 個(gè)節(jié)點(diǎn)，其有限元模型見(jiàn)圖2。

圖2 有限元模型

考慮到拓寬路基影響因素的復(fù)雜性，計(jì)算過(guò)程中考慮各層材料為均質(zhì)、連續(xù)且完全黏合；假定路堤作為平面應(yīng)變問(wèn)題考慮，考慮地基土的固結(jié)問(wèn)題；假定路基和地基均為理想彈塑性體；假定新舊路基拼接處接觸連續(xù)，無(wú)滑移與脫落現(xiàn)象；土體本構(gòu)關(guān)系采用摩爾-庫(kù)倫彈塑性模型；考慮荷載為20 kPa 等效均布荷載。為保證計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)性，對(duì)模型底部采用水平和豎向位移約束，兩側(cè)采用水平位移約束，地下水位線位于地表處，頂部為透水邊界，其余均為不透水邊界。模型中土體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土體計(jì)算參數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 拓寬方式

為比較不同拓寬方式對(duì)拓寬路基變形特性的影響，分別建立路基單側(cè)拓寬12 m 和雙側(cè)同時(shí)拓寬6 m 的計(jì)算模型，并針對(duì)2 種拓寬方式下路基的水平位移及豎向沉降變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 路基變形特性變化曲線

根據(jù)圖3 可知，采用單側(cè)拓寬方式的新舊路基水平變形差異較大，且在新路基路肩位置出現(xiàn)了反向位移，路基表面最大水平位移出現(xiàn)在路基中心線位置，最大值為2.73 cm。采用雙側(cè)拓寬方式的新舊路基水平變形基本呈中心線對(duì)稱分布，最大水平位移出現(xiàn)在兩側(cè)新舊路基拼接位置，最大值為1.21 cm，相對(duì)于單側(cè)拓寬路基最大水平變形降低近55.6%。采用單側(cè)拓寬方式的新舊路基豎向沉降差異較大，路基表面最大沉降值為-15.93 cm，而采用雙側(cè)拓寬方式的新舊路基豎向沉降差異較小，其最大沉降值為-11.38 cm，相對(duì)于單側(cè)拓寬路基最大沉降量降低了28.6%。綜上，拓寬路基采用雙側(cè)拓寬方式對(duì)于控制新舊路基水平變形及沉降差異的效果要優(yōu)于單側(cè)拓寬方式。

3.2 路基高度

為研究不同路基高度對(duì)拓寬路基變形特性的影響，運(yùn)用軟件分別建立路基高度為2.5 m、5 m、7.5 m及10 m 的計(jì)算模型，采用雙側(cè)拓寬方式，拓寬寬度為6 m，并針對(duì)不同路基高度的路基水平位移及豎向沉降變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 路基變形特性變化曲線

根據(jù)圖4 可知，隨著路基高度的增大，新舊路基表面的水平位移呈不斷增大趨勢(shì)變化，路基高度為2.5 m、5 m、7.5 m 和10 m 的新舊路基最大水平位移分別為0.39 cm、1.10 cm、1.93 cm 及2.71 cm，增幅較為明顯，說(shuō)明路基高度變化對(duì)于新舊路基水平變形的影響較大。隨著路基高度的增大，新舊路基表面的豎向沉降呈不斷增大的趨勢(shì)變化，路基高度為2.5 m、5.0 m、7.5 m 和10.0 m 的新舊路基最大沉降量分別為8.02 cm、11.56 cm、14.37 cm及16.71 cm，沉降增幅較大，說(shuō)明路基高度的變化對(duì)于新舊路基不均勻沉降的影響較大。綜合來(lái)看，路基高度的增大會(huì)同時(shí)增大新舊路基的水平位移和豎向沉降，不利于新舊路基的安全穩(wěn)定性，因此，在實(shí)際工程中路基高度不宜設(shè)計(jì)過(guò)高。

3.3 路基寬度

為研究不同路基寬度對(duì)拓寬路基變形特性的影響，運(yùn)用軟件分別建立路基寬度為4.5 m、6.5 m、8.5 m 及10.5 m 的計(jì)算模型，并針對(duì)不同路基寬度的路基水平位移及豎向沉降變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 路基變形特性變化曲線

根據(jù)圖5 可知，新舊路基表面的水平位移隨著路基寬度增大而逐漸增大，路基寬度為4.5 m、6.5 m、8.5 m 和10.5 m 的新舊路基最大水平位移分別為0.87 cm、1.10 cm、1.32 cm 及1.53 cm，最大水平變形均發(fā)生在新舊路基拼接位置，說(shuō)明路基寬度的變化對(duì)于新舊路基的水平變形存在一定影響。隨著路基寬度的增大，新舊路基表面的豎向沉降呈不斷增大的趨勢(shì)變化，路基寬度為2.5 m、5.0 m、7.5 m和10.0 m 的新舊路基最大沉降量分別為9.59 cm、11.46 cm、12.93 cm 及14.44 cm，增幅相對(duì)顯著，說(shuō)明路基寬度的變化對(duì)于新舊路基不均勻沉降的影響較為明顯。綜合來(lái)看，路基寬度的增大會(huì)同時(shí)增大新舊路基的水平位移和豎向沉降，且對(duì)于新舊路基不均勻沉降的影響要大于水平變形的影響。

3.4 路基彈性模量

為研究不同路基彈性模量對(duì)拓寬路基變形特性的影響，運(yùn)用軟件分別建立路基彈性模量為5 MPa、10 MPa、15 MPa 及20 MPa 的計(jì)算模型，針對(duì)不同路基彈性模量的路基水平位移及豎向沉降變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 路基變形特性變化曲線

根據(jù)圖6 可知，隨著路基彈性模量的增大，新舊路基表面的水平位移呈不斷減小趨勢(shì)變化，路基彈性模量為5 MPa、10 MPa、15 MPa 和20 MPa 的新舊路基最大水平位移分別為1.69 cm、1.11 cm、0.87 cm 及0.73 cm，減幅較為明顯，說(shuō)明路基彈性模量對(duì)于新舊路基水平變形的影響較大。隨著路基彈性模量的增大，新舊路基表面的豎向沉降呈不斷減小的趨勢(shì)變化，路基彈性模量為5 MPa、10 MPa、15 MPa 和20 MPa的新舊路基最大沉降量分別為13.48 cm、11.46 cm、10.71 cm 及10.32 cm，沉降量減幅較為明顯，說(shuō)明路基彈性模量對(duì)于新舊路基不均勻沉降的影響較大。綜合來(lái)看，路基彈性模量的增大可以同時(shí)降低新舊路基的水平位移和豎向沉降，對(duì)于控制新舊路基的水平變形和不均勻沉降效果顯著，因此，在實(shí)際工程中可以選擇彈性模量較高的填土填筑路基。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）從水平變形和沉降差異角度分析，雙側(cè)拓寬方式控制效果要明顯優(yōu)于單側(cè)拓寬方式。（2）路基高度的增大會(huì)同時(shí)增大新舊路基的水平位移和豎向沉降，且路基高度越大，新舊路基水平變形和不均勻沉降越大，不利于新舊路基的安全穩(wěn)定性。（3）路基寬度的增大會(huì)同時(shí)增大新舊路基的水平位移和豎向沉降，且對(duì)于新舊路基不均勻沉降的影響要大于水平變形的影響。（4）路基彈性模量的增大可以同時(shí)降低新舊路基的水平位移和豎向沉降，對(duì)于控制新舊路基的水平變形和不均勻沉降效果顯著。