基于ABAQUS軟件對路基拓寬沉降規律的分析

文/新疆新紀元公路設計有限責任公司 楊靜

工程概況

新疆某主干道路原為雙向四車道，路基半幅寬度為13m，路基高4m，通行能力和使用質量都已經無法滿足當前交通需求。因此對其加寬拼接，改造為雙向八車道，新路基半幅寬度增加8m。根據以往路基工程經驗表明，若舊路基加寬后處理不當，會導致路面開裂、路基沉陷等現象。

數值建模

ABAQUS是一種將偏微分方程（組）離散化的數值求解方法，ABAQUS功能強大，內置各類材料的本構模型、強度失效準則，包括線彈性模型、Mohr-Coulomb模型、Druker-Prager模型、Cam-Clay模型、滲透材料模型等。ABAQUS既可以模擬材料結構線性變化，又可以模擬復雜的非線性問題，解決一些復雜的工程問題。

地基土、路基土模擬主要借助ABAQUS軟件內置的Mohr-Coulomb模型，假設路基為對稱結構且足夠長，舊路基下的地基沉降穩定，地基土、新舊路基采取四邊形模擬單元。模型原有路基半幅寬13m，新路基半幅寬擴大了8m，邊坡坡度、路基高度的幾何模型分別設計為1∶1.5、4m。模型的最大模擬深度設置為-60m，為了保證模擬的準確性，路基寬度模擬邊界增加至實際路基寬度外側60m處。為了求得模型初始應力場分布，將模型運算到舊路基平衡狀態，然后對模型填土荷載逐級加載，土體材料參數如表1所示。

差異沉降特性分析

路基土層的物理屬性屬于顆粒、水、空氣的三相綜合體。高速公路路基土體受到混凝土路面的擠壓應力，當路基土層長期受壓后，釋放出土層內部的水、空氣，最終導致路基后期出現顯著的變形沉降。路基土層的碾壓方式選為分層碾壓施工，一般而言，通過壓路機的頻繁碾壓，可以保證路基的壓實度，但在實際施工中發現地基壓實的效果并不明顯。

圖1 路基豎向位移示意圖

圖2 路基豎向應力示意圖

圖3 路基水平位移示意圖

表1 路基土體材料參數

如圖1所示，拓寬前，舊路基中心線處出現了最大豎向位移，最大豎向位移沉降分布形態為半盆形，拓寬后最大豎向位移呈倒鐘形分布，主要出現在新路基一側。

如圖2所示，路基在進行拓寬施工前，原始路基的最大豎向壓力主要集中于地基上層面，進一步分析可知，其豎向應力的大小與地基深度大小成反比關系，拓寬后，豎向應力的最大值呈現明顯增大趨勢，在新鋪設路基底層中心處出現了最大豎向應力值。

如圖3所示，路基拓寬前地基水平位移峰值出現在舊路基正下方，水平方向位移基本上為零，路基拓寬后，水平位移峰值出現在新鋪設路基坡腳下邊緣。在新舊路基接觸處出現了臨界狀態，距離舊路基越近，發生水平位移的程度越小，位移值越小，距離新路基越近，其水平位移值越大。

路基變形影響分析

單側加寬對路基變形的影響。依據工程實際，對模擬方案為填方舊路基+單側填方新路基拼接，其中路基單側加寬寬度取值分別為4m、8m、12m、16m。路基加寬到4m、8m、12m、16m時，最大豎向沉降值分別為12.1mm、21.4mm、27.0mm、30.2mm。綜合分析，隨著路基寬度增加，路基豎向沉降也隨之增加，路基擴寬后對原始地基產生了不均勻荷載，沉降數值的分布規律呈現出由路基中心向外先增大后減小的趨勢，且隨路基寬度的增加，沉降極值逐漸靠外。

圖4 加寬大小對路基沉降的影響

圖5 不同加寬與路基表面最大差異沉降變化

圖6 不同加寬對基底沉降的影響

兩側加寬對路基變形的影響。由于路基為對稱結構，所以模型取一半計算，兩側加寬時每側加寬的寬度為2m、4m、6m、8m。

如圖4所示，兩側路基加寬后，原有路基中心的沉降越來越明顯，路基加寬至4m、8m、12m、16m時，路基中心豎向沉降值分別為2mm、4.5mm、6.3mm、7.7mm，拓寬寬度的增幅與沉降增加的差異程度沒有明顯的比例關系。拓寬越大，路基中心沉降越大，隨路基加寬越來越大沉降增幅逐漸減小。

如圖5與圖6所示，兩側不同拓寬寬度與單側加寬時路基表面及基底的沉降曲線均類似，從路基中心向外表現出先增大后減小的趨勢。隨拓寬值加大，沉降較大的區域有向外側邊緣發展的趨勢。單側和雙側加寬拓寬道路的不同之處是：

若采用兩側路基加寬方案，新舊路基差異沉降少，當前實際施工中，為了保證道路兩側的受力均勻，通常會采用兩側加寬路基的方案，路基兩側均加寬后，路基整體對原有路基附著力提高，新舊路基結合為一個整體，呈現整體性的沉降，故新舊路基之間差異沉降較小。從建造成本來分析兩側加寬，一是施工難度加大，二是運營與施工成本加大。

結語

拓寬后最大豎向位移呈倒鐘形分布，主要出現在新路基一側。拓寬后，豎向應力的最大值呈現明顯增大趨勢，在新鋪設路基底層中心處出現了最大豎向應力值。路基拓寬前，地基水平位移峰值出現在舊路基正下方，路基拓寬后，水平位移峰值出現在新鋪設路基坡腳下邊緣。

經過對比兩種加寬路基的方案，采用兩側路基加寬，新舊路基差異沉降少，保證了道路兩側的受力均勻，路基整體性強對原有路基附著力提高，新舊路基呈現整體性的沉降，新舊路基之間差異沉降較小。