軟土條件下拓寬道路路基差異沉降分析

朱紹勛

中交一公局第七工程有限公司，河南 鄭州 451452

隨著城市化進(jìn)程的快速發(fā)展，大量人口涌入城市，人口的高度集中給城市帶來(lái)了巨大的交通壓力。目前我國(guó)的道路多為雙向四車(chē)道，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足城市交通的要求，因而對(duì)現(xiàn)有道路進(jìn)行拓寬改造勢(shì)在必行。在我國(guó)沿海地區(qū)，道路工程的地質(zhì)條件多為軟弱土層，其承載能力低、穩(wěn)定性差。多數(shù)工程實(shí)踐證明，在軟土條件下，對(duì)道路進(jìn)行拓寬改造，由于原有道路經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用，路基沉降的穩(wěn)定性較高，而道路拓寬后，新舊路基之間容易產(chǎn)生沉降差甚至造成路基失穩(wěn)。

候志峰等[1]依托市政道路工程，利用有限元軟件ANSYS建立道路拓寬改造模型，研究分析了軟土條件下道路拓寬路基差異沉降特性及規(guī)律，提出了降低差異沉降的技術(shù)措施。姜超[2]通過(guò)分析道路拓寬中新舊路基差異沉降的成因及影響，提出了控制拓寬道路差異沉降的建議。劉洋[3]基于有限元方法研究分析了不同影響因素下拓寬道路的沉降變化規(guī)律，并結(jié)合實(shí)際工程總結(jié)了軟土條件下路基差異沉降的控制施工技術(shù)及處治措施。林青[4]基于有限元方法建立了高速公路拓寬改造的數(shù)值模型，結(jié)合拓寬道路大比例尺模型試驗(yàn)，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出了道路拓寬路基沉降的模擬系統(tǒng)。

1 新舊路基有限元數(shù)值模型建立

1.1 有限元模型的基本假定

（1）以舊路的中心作為道路拓寬改造的中心，并假設(shè)新舊路基之間的接觸為理想連接；（2）在數(shù)值模型中，新舊路基與地基土體等均為各向同性材料，故采用摩爾-庫(kù)侖模型作為本構(gòu)模型；（3）模型單元采用八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元；（4）假設(shè)舊路基的變形沉降已基本穩(wěn)定。

1.2 MIDAS GTS NX建立數(shù)值模型

MIDAS GTS NX作為一款功能強(qiáng)大的有限元軟件，能夠進(jìn)行線(xiàn)性和非線(xiàn)型的靜力分析、固結(jié)分析以及施工階段的分析等。文章根據(jù)某道路拓寬工程的路基土層參數(shù)（見(jiàn)表1）建立相應(yīng)的道路拓寬模型，其建模過(guò)程及步驟如下：

表1 新舊路基土層參數(shù)

（1）按照道路拓寬部分采用天然地基、攪拌樁、樁板式地基三種地基處理方式，建立道路拓寬新舊路基模型，其中，地基寬度為90m、高度為25m，原路基寬度為26m。進(jìn)行拓寬時(shí)，先在原路基邊坡上開(kāi)挖施工高度為1m的臺(tái)階，坡度為1∶1.5，原路基兩側(cè)均拓寬10m，路基高度為7m、樁長(zhǎng)為13m、樁徑為2.5m，板的寬度為10m、厚度為0.25m。

（2）按照表1定義材料及網(wǎng)格屬性，其中板與樁材料采用C30混凝土。

（3）利用八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元進(jìn)行模型網(wǎng)格劃分，道路拓寬有限元數(shù)值模型見(jiàn)圖1。

圖1 道路拓寬有限元數(shù)值模型

（4）對(duì)模型施加約束及重力場(chǎng)。

（5）根據(jù)道路拓寬工程的施工工況定義施工階段，階段一為開(kāi)挖原有路基邊坡，階段二為新路基地基處理，階段三為填筑新路基。

（6）求解模型。

2 新舊路基數(shù)值模擬分析

通過(guò)對(duì)道路拓寬數(shù)值模型進(jìn)行求解計(jì)算，得到道路拓寬改造完成后原有道路路基表面的附加沉降及橫向位移曲線(xiàn)見(jiàn)圖2、圖3。圖2與圖3中的三條曲線(xiàn)分別為采用板樁式復(fù)合地基、攪拌樁地基以及天然地基三種地基處理方案計(jì)算得到的原有道路路基附加沉降及橫向位移曲線(xiàn)。由圖2可知，原有道路路基表面的附加沉降沿著遠(yuǎn)離道路中心距離的方向上逐漸增大，其中，采用天然地基的道路拓寬模型其附加沉降增速明顯，較另外兩種地基方案快；采用板樁式復(fù)合地基進(jìn)行地基處理，原有道路路基的附加沉降最小，且明顯小于攪拌樁地基處理的結(jié)果。由圖3可知，板樁式復(fù)合地基與攪拌樁地基兩種地基處理方案均能明顯降低原有道路路基的橫向位移，且效果基本一致。

圖2 原有道路路基附加沉降

圖3 原有道路路基橫向位移

道路拓寬改造完成后，整體道路路基表面的附加沉降與橫向位移曲線(xiàn)見(jiàn)圖4、圖5。其中，距離道路中心13m處為原有道路路基坡頂，18m處為原有道路路基坡腳，18～28m為板樁式復(fù)合地基的板結(jié)構(gòu)，30m處為新道路坡腳。

圖4 整體道路路基附加沉降

圖5 整體道路路基橫向位移

由圖4可以看出，在0～18m，三種方式處理地基后，原有道路路基附加沉降的曲線(xiàn)變化趨勢(shì)，且沿著遠(yuǎn)離道路中心的方向逐漸變大，在18m處達(dá)到最大值；而在18～28m，由于拓寬改造，在新路基的荷載作用下，板樁式結(jié)構(gòu)兩側(cè)的沉降量大于板結(jié)構(gòu)中部位置的沉降量；在30～40m處，采用天然地基處理的路基，其沉降呈減小趨勢(shì)，且減小速度與增大速度都較快，而采用攪拌樁和板樁式結(jié)構(gòu)處理地基的路基，其沉降緩慢減小，其中采用板樁式的沉降量要大于采用攪拌樁的沉降量，主要是板樁式結(jié)構(gòu)中混凝土板的重量較大，導(dǎo)致沉降量相對(duì)較大。

由圖5可以看出，在三種地基處理方式中，通過(guò)板樁式結(jié)構(gòu)進(jìn)行地基處理后，原有道路的橫向位移最小，板樁式結(jié)構(gòu)與攪拌樁兩種方式的橫向位移均在原有道路的坡角處出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，在原有道路段達(dá)到最大值；從拓寬后的整個(gè)道路上看，樁板式結(jié)構(gòu)處理的地基其橫向位移沿遠(yuǎn)離道路中心方向上最小，且最為穩(wěn)定，在新舊路基交界處的位移變化最小。這表明板樁式結(jié)構(gòu)復(fù)合地基能夠有效減小道路拓寬改造新舊路基的差異變形。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了研究軟土條件下拓寬道路對(duì)路基差異沉降的影響，文章通過(guò)MIDAS GTS NX有限元軟件建立天然地基、攪拌樁地基、板樁式結(jié)構(gòu)復(fù)合地基三種方式分別處理地基后的道路拓寬數(shù)值模型，同時(shí)研究分析了道路拓寬后原有道路與新道路的路基附加沉降及橫向位移的變化規(guī)律，總結(jié)分析了三種地基處理方式的效果。其中，板樁式結(jié)構(gòu)復(fù)合地基能夠有效減小道路拓寬后新舊道路的差異沉降，同時(shí)能明顯減小路基的橫向位移，提高路基的整體穩(wěn)定性。