老路改建中路基加寬處不均勻沉降有限元研究

董耀群

天津城建設(shè)計(jì)院有限公司，天津市300122）

老路改建中路基加寬處不均勻沉降有限元研究

董耀群

天津城建設(shè)計(jì)院有限公司，天津市300122）

道路拓寬中新舊路基產(chǎn)生的不均勻沉降是導(dǎo)致路面產(chǎn)生縱向裂縫的主要因素。對此，首先分析了不均勻沉降產(chǎn)生的原因，并運(yùn)用有限元軟件ANSYS建立了道路拓寬處仿真模型。計(jì)算結(jié)果表明，土工格柵在處理新舊路基沉降中具有明顯的作用，為舊路拓寬工程中不均勻沉降的處治提供了參考。

老路改建；不均勻沉降；有限元軟件ANSYS

0　前言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，許多上世紀(jì)八、九十年代修建的道路已無法滿足交通量日益增長的需要，進(jìn)入了改建或擴(kuò)建階段。道路拓寬處路基的不均勻沉降在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)引起的附加應(yīng)力可造成路面早期破壞，影響改建后路面的使用質(zhì)量和使用壽命，甚至危及行車安全。因此，如何準(zhǔn)確、系統(tǒng)地計(jì)算舊路拓寬處的差異沉降，并采取合理的處治措施勢在必行。

1　原因分析

舊路拓寬處不均勻沉降產(chǎn)生的原因可分為以下幾點(diǎn)。

1.1人為方面的原因

新老路基拓寬部位是施工的薄弱環(huán)節(jié)。該部位施工工藝復(fù)雜、施工難度大，經(jīng)常會(huì)發(fā)生不符合設(shè)計(jì)要求的現(xiàn)象，如拼寬部位路基壓實(shí)度不滿足要求、不按照要求布設(shè)土工格柵、或格柵質(zhì)量不滿足要求等等。由于施工質(zhì)量控制不嚴(yán)或施工工藝操作不規(guī)范等各種人為因素使得拼寬部位更容易成為薄弱點(diǎn)，加重了新老路基的不均勻沉降。

1.2新舊路基的工程地質(zhì)條件發(fā)生了變化

老路經(jīng)過多年的運(yùn)營，其沉降已基本完成，加寬部分雖然經(jīng)過碾壓到達(dá)規(guī)范要求的壓實(shí)度，但加寬部分與老路的固結(jié)沉降程度不一致，作用在加寬部分的車輛荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力必然引起現(xiàn)有道路的附加沉降，從而產(chǎn)生新舊路基的不均勻沉降。

1.3路基填料性質(zhì)的不同

由于車輛載重的不斷增加，新建的路面結(jié)構(gòu)也越來越厚，加寬部分的路面結(jié)構(gòu)往往與老路結(jié)構(gòu)厚度不一致，由于新施工工藝、施工材料的不斷出現(xiàn)及老路強(qiáng)度在使用過程中的不斷衰減，新舊道路的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也不一致，使得新舊道路產(chǎn)生的沉降也不一致。

1.4老路拓寬設(shè)計(jì)理論尚不完善

目前，對于老路加寬的理論研究較少，新老路基拓寬后的不均勻沉降研究尚不成熟，在實(shí)際設(shè)計(jì)中往往根據(jù)設(shè)計(jì)者的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)，具有一定的盲目性，經(jīng)常需要通車一段時(shí)間后方能檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的有效性。由于各項(xiàng)目具有一定的差異性，因此，現(xiàn)有設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)難以大面積地指導(dǎo)道路拓寬項(xiàng)目施工。

2　有限元模型的建立

近年來，通過國內(nèi)外科研工作者的不懈努力，涌現(xiàn)出了一系列的老路拓寬工程不均勻沉降處理方法，如在加寬臺(tái)階處鋪設(shè)土工格柵、土工格室、加寬部分使用輕質(zhì)材料、加寬部分采用強(qiáng)夯等等。其中，土工格柵具有強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、造價(jià)低、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在多個(gè)老路拓寬項(xiàng)目中使用效果良好。但目前對于土工格柵鋪設(shè)的寬度、鋪設(shè)層位及鋪設(shè)的層數(shù)尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，因此本文利用有限元軟件ANSYS對老路拓寬處進(jìn)行仿真模擬，對上述工況下各參數(shù)變化時(shí)的沉降量進(jìn)行對比分析。

2.1基本假設(shè)及邊界條件

在實(shí)際分析過程中，為計(jì)算方便，在保證準(zhǔn)確性的前提下常做出如下假設(shè)：

（1）路面結(jié)構(gòu)各層組成材料各向同性，土體均質(zhì)連續(xù)；

（2）行車荷載在拼寬處按照均布荷載等效換算，結(jié)構(gòu)自重等效為力與行車荷載一起作用；

（3）老路拓寬時(shí)固結(jié)沉降在多年的運(yùn)行中已完成；

（4）各結(jié)構(gòu)層層間接觸面完全連續(xù)；

（5）根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性，取老路及拓寬后路基的一半作為研究對象；

（6）計(jì)算中考慮路面結(jié)構(gòu)自重；

（7）左右邊界為豎向無約束、橫向固定。

2.2模型尺寸及材料參數(shù)

（1）研究對象為4車道高速公路，路基寬度為27.0 m，老路路堤填方邊坡坡高4.0m，新老路邊坡坡率均為1：1.5，模擬4車道改8車道，每邊加寬按照8.0m計(jì)算。

（2）行車荷載采用現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100 kN，輪胎內(nèi)氣壓為0.7 MPa，將荷載的作用面簡化為正方形，其面積為27 cm×27 cm。

（3）新老路拼接處采用開挖臺(tái)階，路床部分臺(tái)階高0.8 m，寬1.20 m，路堤部分臺(tái)階高1.0 m，寬1.5 m，在最底層臺(tái)階滿鋪土工格柵以減小不均勻沉降和防止縱向開裂。

（4）為保證土工格柵在路堤上處于同一平面，各臺(tái)階水平方向設(shè)置內(nèi)傾2%斜坡，豎向均垂直開挖。土工格柵鋪設(shè)方向與路線方向垂直，沿行車方向搭接寬度大于20 cm，橫向采用固定間距不大于30 m鉛絲綁扎，周邊及縱向搭接采用U型釘固定，U型釘采用6 mm鋼筋彎制成，其固定間距不大于1.0 m。

（5）各結(jié)構(gòu)層參數(shù)如表1所列。

表1　計(jì)算參數(shù)表

以下研究均以表1的參數(shù)為基本模型，分別對單一參數(shù)變化時(shí)的模型進(jìn)行研究。

3　有限元計(jì)算結(jié)果分析

3.1填土高度不同時(shí)加寬處沉降分析

道路受到地形、地質(zhì)、排水及洪水位等因素影響，會(huì)有一定的縱坡，因此，路堤填土的高度也不盡相同，相關(guān)研究表明：填土高度是影響加寬處不均勻沉降的主要因素。

該項(xiàng)目沉降分析選取路堤填土高度2 m、4 m、6 m、8 m時(shí)為研究對象，對加寬處的沉降量進(jìn)行有限元計(jì)算，計(jì)算結(jié)果繪于圖1。

從圖1可以看出，路堤填土高度不同時(shí)，路堤表面的沉降均隨著路堤填土高度的增加而增加。

圖1　路堤填方不同高度時(shí)路堤表面不均勻沉降計(jì)算結(jié)果曲線圖

當(dāng)路堤填方高度分別為2 m，4 m，6 m，8 m時(shí)，施工末期加寬處的最大沉降分別為9.35 cm、10.36 cm、12.12 cm、19.08 cm，工后15a加寬處最大沉降分別為17.69 cm、17.86 cm、26.13 cm、40.36 cm。與填土高度為8 m相比，路堤填方高度分別為2 m，4 m，6 m時(shí)沉降分別減少了50.9%、45.7%、36.5%。由此可見，路堤填土高度增加時(shí)，設(shè)置土工格柵能減小工后沉降，且路堤填土高度越小，格柵減小沉降的作用越明顯。

當(dāng)路堤填土高度大于4 m時(shí)，雖然加寬處設(shè)置了土工格柵，但由于僅在底部設(shè)置一層，工后沉降量仍然超過了加寬路堤的沉降量臨界容許值。由此可見，雖然土工格柵在減小新舊路堤加寬的不均勻沉降方面作用明顯，但隨著路堤填土高度的增加，特別是，當(dāng)路堤填土高度大于4 m時(shí)，不均勻沉降隨著填土高度的增加仍然增加較快。而土工格柵在一定程度減小了不均勻沉降，但仍不足以抵消填土高度增加帶來的沉降量。由此可見，僅設(shè)置一層土工格柵的功能是有限的，需要增加格柵的層數(shù)來減小不均勻沉降。

3.2加寬寬度不同時(shí)加寬處沉降分析

按照本文前述參數(shù)，分別模擬4車道改6車道、8車道、10車道，道路兩側(cè)加寬寬度分別為4 m、8 m、12 m，填土高度按照4.0 m進(jìn)行有限元仿真模擬，施工末期和工后15a的計(jì)算結(jié)果繪于圖2。

圖2　加寬寬度不同時(shí)路堤不均勻沉降計(jì)算結(jié)果曲線圖

由圖2可知，加寬寬度為4 m、8 m、12 m時(shí)，設(shè)置土工格柵時(shí)施工末期的最大沉降量分別為7.09c m、16.39 cm和23.76 cm，工后15 a設(shè)置土工格柵最大沉降量分別為18.56 cm、28.86 cm和34.82 cm。與加寬寬度為12m相比，加寬寬度分別為4 m，8 m時(shí)沉降分別減少了70.2%、31.0%。

由上述分析可知，沉降量均隨著拓寬寬度的增加而增加，但設(shè)置土工格柵后均在一定程度上減少了新路基的沉降量。

3.3土工格柵布設(shè)位置不同時(shí)的沉降分析

現(xiàn)行設(shè)計(jì)對土工格柵鋪設(shè)的位置尚沒有明確的計(jì)算依據(jù)。本文上述研究也均基于在路基底部第一層臺(tái)階滿鋪土工格柵。因此，本節(jié)通過對土工格柵設(shè)置不同位置時(shí)的路基沉降研究，找出格柵設(shè)置的合理位置。

以基本模型參數(shù)為依據(jù)，不同格柵布設(shè)位置時(shí)的路基沉降計(jì)算如圖3所示。從圖3中可以看出，格柵設(shè)置在哪一層臺(tái)階處均可以減小路基的沉降量，但與其他位置相比，設(shè)置于底部第一層臺(tái)階時(shí)路基的沉降量減少最多，分別為12.6%、19.6%、27.0%和31.1%。因此，在滿足路基穩(wěn)定性的前提下，路基加寬在第一層臺(tái)階設(shè)置土工格柵的效果最好。

圖3　格柵布設(shè)位置不同時(shí)的路堤不均勻沉降計(jì)算結(jié)果曲線圖

分析其原因，在底部第一層臺(tái)階處鋪設(shè)土工格柵可以分散填土荷載，增加新舊路基的剛度模量，在較大程度上保持了基地的連續(xù)性，改善了基地的不均勻受力狀況，使得荷載的分布較為均勻，在很大程度上減小了不均勻沉降量。

上述計(jì)算僅考慮了施工期間的土體和路面結(jié)構(gòu)的自重產(chǎn)生的沉降。在道路的實(shí)際運(yùn)營中，還需要承受車輛荷載產(chǎn)生的各種應(yīng)力，僅在底部第一層臺(tái)階設(shè)置格柵，很容易引起路基頂部不均勻荷載產(chǎn)生的裂縫，并最終反射到瀝青面層上，從而產(chǎn)生面層的縱縫，影響道路的美觀和使用壽命。相關(guān)的計(jì)算結(jié)果同樣表明，格柵位于第一層臺(tái)階時(shí)的拉應(yīng)力較大，因此，在路基頂部設(shè)置格柵也是必要的，且可在一定程度上減小不均勻沉降。

對此，本文建議對一般填方路基設(shè)置兩層土工格柵，既可以減小不均勻沉降，又可以防止由于不均勻沉降引起的縱向裂縫。

4　結(jié)論

通過本文的計(jì)算分析可以得出以下結(jié)論：

（1）路基加寬后的沉降隨著路堤填土高度的增加而增加；

（2）路基加寬后的沉降隨著加寬寬度的增加而增加；

（3）土工格柵的設(shè)置在路基底部第一層臺(tái)階的效果最好。

U418.8

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1009-7716（2015）05-0035-03

2015-03-02

董耀群（1982-），女，天津人，碩士研究生，工程師，從事道路工程設(shè)計(jì)工作。