公路改扩建中新旧路基不均匀沉降的有限元模拟及处治研究

2022-11-29 交通科技

黄先刚

中交基础设施养护集团有限公司

摘要：随意经济水平快速发展，道路交通量也持续增长，早期修建公路的实际承载交通量已远超其设计能力，容易甚交通阻塞、事故频发等。因此，对公路工程进行改扩建已成为必然趋势。本文以某高速公路项目为依托工程，对高速公路改扩建方案确定、新旧路基不均匀变形机理及处治措施等关键技术展开了深入分析，以期为类似的公路改扩建工程建设提供理论指导。

关键词：公路工程;改扩建设计;不均匀沉降;有限元模拟;

1 工程概况

笔者以某高速公路桩号ZK1+618～K2+726段填方段为研究对象。该公路采用高速公路建设标准，主要技术指标如下:路线全长5.742km、设计荷载为公路-I级、最大平曲线半径9000m、最小平曲线半径5500m、最大纵坡3.2%、整体式路基宽度为26m、最大中心填高为15m、车辆运行速度为100km/h。研究路段范围内路基的上部坡度为1∶1.5，下部坡度为1∶1.75，无**地质病害。填方路基的浅层地基土以软土、淤泥质土为主，含水量高、承载力较低、呈塑性流动状态，进行了换填处理，同时路基填料使用沿线黏土，部分路段采用粉煤灰填筑。

2 公路改扩建设计方案确定

2.1 公路扩建方案确定原则

在确定公路改扩建方案时，应当尽可能实现项目效益最大化。既要满足规划、工程技术要求，又要满足科学发展、建设环保型交通设施要求，一般体现在以下几方面:第一，减少对现有道路交通的影响;第二，节约土地资源，减少**数量;第三，因地制宜，选择成熟的设计理念和施工技术，并合理控制工程造价;第四，有利于当地路网的可持续发展。

2.2 公路扩建的基本形式

公路扩建的基本形式多样，目前主要采用的拓宽形式有单侧加宽、双侧加宽、分离加宽和混合加宽等。其中双侧加宽是对老路路基两侧均进行拼接，双侧加宽能降低新旧路基间的不均匀沉降、有利于保护环境和减少**数量，同时还能保证平、纵线形的平稳。鉴于此，笔者根据道路交通量预测数据，对该高速公路全线按双向6车道进行加宽。

3 拓宽路基不均匀沉降的有限元分析

在公路改扩建工程中，新旧路基不可避免会出现差异沉降，这是导致扩建公路出现病害的根本原因，因此，在进行公路工程改扩建设计时必须明确拓宽路基的不均匀沉降变形规律。笔者使用有限元分析软件PLAX** 8.0软件对不同路基拓宽宽度下，距旧路基边线不同位置处的沉降变形展开计算。

3.1 模型建立和网格划分

在建立有限元模型时(见图1)，取路基中心填土高度为8m，边坡坡度为1∶1.5，地基土的计算宽度取300m、计算深度取50m。根据工程实际和《道路设计常用数据手册》对相关土层的计算参数进行了简化:路基填料密度1498 kg/m3、弹性模量32MPa、粘聚力36kPa、内摩擦角27°;基岩密度2200kg/m3、弹性模量38MPa、粘聚力48kPa、内摩擦角50°。

图1 公路改扩建路基计算模型及网格划分下载原图

公路改扩建路基的模拟属于平面应变问题的范畴，软件计算时采用摩尔-库伦屈服准则。因此，为了保证软件的计算速度和精度要求，用PLAX**8.0软件分析时将路基建成二维平面模型，并采取三角形单元进行网格自动划分。与此同时，将路基模型按照土体性质差异性划分为三个区域，每个区域均采用brick单元，并对填方路基区域网格进行加密，共划分4832个网格。模型的边界条件是:地基底部对x、y、z三个方向位移完全约束，对路基边坡外侧水平位移约束、竖向**变形，路基顶面不施加任何边界条件。

3.2 加载方式

对于公路改扩建工程，旧路基一般完成了自身压缩变形，为了更好的模拟新老路基的差异沉降，应当以地基和老路基可以一起生成应力状态作为拓宽路基的初始应力，PLAX** 8.0软件中可以采用“重力加载”方式实现这一功能。

重力加载实现途径为:利用软件建立好数值计算模型后，先将地基土和老路基部分网格激活，并在初始计算应力计算时里执行这个单独的计算工序。然后将荷载输入设为总乘子，且令∑Mweight=1。值得注意的是，如果计算模型在重力加载期间出现少量的塑性点是可以接受的。

3.3 计算结果分析

改扩建公路拓宽宽度分别选择取4m、6m、10m，得到各拓宽宽度下路基顶面距边线不同位置处相对于旧路基差异沉降变形量计算结果如图2所示:

图2 不同拓宽值下新旧路基差异沉降量下载原图

由计算结果可知，当距公路路基边线小于2m时，不同拓宽宽度下各点的沉降变形量基本保持一致。当距公路路基边线超过2m时，随着公路路基拓宽宽度的增加，路基顶面的竖向变形增大，新旧路基之间的不协调变形持续增大，但其增长速率逐渐变缓。这种现象表明:随着路基加宽宽度的增加，旧路基在新路基的边载作用下引起的附加应力也持续提高，使得老路基的沉降不断增大。但是当路基的拓宽宽度增大到某一临界值时，再增加路基的拓宽宽度对旧路基所产生的附加应力影响较小，引起的旧路基的沉降也变化较小。路基拓宽宽度不同，路基顶面出现不协调变形最大值的位置也有差异，当公路路基的拓宽宽度为4m、6m时，不协调变形最大值出现在新路基边缘，当公路路基的加宽为10m时，其最大值出现在新路基边缘内侧，这会使得公路拓宽部分路面产生反坡，容易出现雨水**，损害路面结构层，导致公路运营功能和寿命下降。

4 改扩建公路不均匀沉降处治措施

目前处治公路改扩建路基不均匀沉降的控制措施很多，其中土工格栅、支挡结构、强夯等措施在工程中应用较广泛。土工格栅的作用则是为了增加土体间的抗拉强度，减小变形量。笔者运用PLAX**8.0软件在原路基模型坡顶以下1m处布置了两层聚丙烯双向塑料土工格栅(抗拉强度取30kN/m)，沉降变形监测点同上，各拓宽宽度下土工格栅铺设前后新旧路基差异沉降变形量计算结果如图3所示。

图3 土工格栅铺设前后新旧路基差异沉降变形量下载原图

由图可知，土工格栅铺设后新旧路基差异沉降变形量变化趋势与之前基本保持一致，但是沉降量有明显的降低，公路拓宽宽度分别为4m、6m、10m，其差异沉降变形降低率分别为9.2%、14.6%、19.3%。即随着公路加宽宽度的增加，铺设土工格栅对新旧路基不均匀沉降的改善效果越好。

5 结语

本文结合某高速公路项目对公路改扩建公路方案的确定原则、基本形式、新旧路基不均匀沉降的机理、变形规律及具体处治措施展开了详细的分析，主要得到了以下几个方面的结论:

(1)公路扩建的基本形式主要有单侧加宽、双侧加宽、分离加宽和混合加宽等，在确定公路改扩建方案时，应当尽可能实现项目效益最大化。

(2)当距公路路基边线小于2m时，不同拓宽宽度下个点的沉降变形基本保持一致。当距公路路基边线超过2m时，随着公路路基拓宽宽度的增加，路基顶面的竖向变形不断增大，新旧路基之间的不协调变形持续增大，但其增长速率逐渐变缓。

(3)公路改扩建路基不均匀沉降的控制措施主要有土工格栅、支挡结构、强夯等，且随着公路加宽宽度的增加，铺设土工格栅对新旧路基不均匀沉降的改善效果越好。

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