非對稱性結構形式的公路路基拓寬工程響應分析

葉柯志 YE Ke-zhi

（廣東水電二局股份有限公司，廣州 511300）

0 引言

近年來，隨著我國國民經濟的快速發展，公路交通出現了越來越擁擠的現象，為了緩解交通所帶來的壓力，不得不對原有道路進行拓寬建設。針對道路路基擴建的研究有很多[1-6]，其中取得了優秀的研究成果，例如，徐全亮等人[7]研究了軟土公路路基拓寬其產生的新舊路基沉降以及附加應力的規律變化，通過有限元數值計算獲得了路基拓寬施工前后的其沉降差異、水平位移與應力值；聶鵬飛等人[8]基于有限元研究了高速公路拓寬工程其在施工填筑過程中的路基變形與應力分布規律，為工程建設提供指導作用；齊光遠[9]以黑龍江省伊綏高速公路為研究背景，分別采用理論解析解與有限元方法計算了新路基的附加荷載值與變形值；范紅英[10]以西潼高速公路改擴建工程為例，進行建立了單側拓寬與雙側對稱拓寬路基的數值模型，探討了路基在施工的影響作用下的沉降變形；楊濤等人[11]基于新舊路基修建的歷史差異進行建立有限元數值模型探討其施工全過程的力學響應，獲取了路堤采用攪拌樁加固和未加固的變形值以及內部應力變化值。

在以往的路基拓寬工程的研究中，大多是將路基橫斷面考慮為對稱性拓寬施工，但在實際工程中并非如此。為此，本文以廣東省西部沿海區域省道某段擴建工程項目為例，探討路基橫斷面非對稱結構下的路基拓寬填筑的力學響應，采用有限元數值模擬計算路基在施工填筑作用下的位移和應力分布情況，為類似工程起施工指導與借鑒的作用。

1 工程概況

廣東省西部沿海區域省道某段擴建工程項目，建設項目為一級公路等級，其設計速度為80km/h，擴建后的路基寬度為34m（雙向六車道，一般路段），路基高度約為7.1m。本文選取典型的路基拓寬工程K4+580斷面進行分析其施工引起的影響，路基左右兩側各加寬5m，另外路基右側一級邊坡坡度為1:1.75，高度2m，二級邊坡為1:1.5，高度為5m；路基左側邊坡坡度為1:1.5，高度為4m。該拓寬路基斷面結構如圖1。

圖1 非對稱結構的公路路基拓寬橫斷面圖

根據設計圖紙進行施工填筑，本工程的施工順序：先地表雜草土進行清理，再進行臺階開挖，后進行右側路基的填筑，最后左側路基的施工填筑。

2 有限元數值模型的建立

2.1 模型的建立以及邊界條件設置

由于道路路基為條形狀結構物，建立二維平面的路基模型可滿足計算精度?；谑ゾS南原理進行考慮邊界條件，所建立數值模型尺寸為分析區域的3～5倍長度，即長為140m，地基—路基的厚度為80m。建立的數值模型如圖2，圖中的網格為12362個單元數，14804個節點數。同時，限制模型底部的全部位移（即U1=U2=0），限制模型左右兩則的水平位移（即U1=0）。

圖2 有限元計算模型

2.2 有限元模型本構與計算參數的選取

為了提高計算效率，又滿足工程精確度下，本文對本次數值計算作出如下假設：①路面材料服從線彈性外，其中粗砂、粉質黏土、素填土和新老路基材料均服從Mohr-Coulomb強度破壞準則：②拓寬路基填筑高度為1.25m/d；③路基地基材料參數不隨施工進行變化。

表1 有限元模型計算參數

2.3 接觸面相互作用

在本文當中，對新路基—地基與舊路基之間的接觸采用Coulomb摩擦模型給表征，其接觸面間的接觸壓應力為p，則摩擦模型中的極限摩擦力值為τcrit=μp，其中μ為新路基體與舊路基以及地基間的界面摩擦值，通常取值為μ=0.4。

3 數值計算結果分析

在實際工程中，舊路基與地基土體內部存在著應力而無位移的狀態。因此，在施工填筑前先將地基與舊路基進行地應力平衡。

為了更好分析每層施工填筑作用下的路基路面變形與應力分布情況，在下列的圖表中，將右側路基第一層填筑表示為“R1”，左側路基第一層填筑表示為“L1”，其余分層填筑以此類推。

3.1 施工填筑下舊路基路面頂層沉降變形規律分析

在施工的過程中舊道路仍通車，而在施工填筑的堆載作用下，會使得原有路基發生變形，例如產生過大的不均勻沉降使得舊道路路面發生開裂的現象。因此，為了揭示路基拓寬填筑施工對原有路面產生變形規律，本文提取了每層填筑完成后的舊路面沉降變形值。圖3為每層路基填筑完成時舊路面頂層的沉降變形曲線值，圖4為路基拓寬施工完成時的豎向位移云圖。

圖3 每層施工填筑下舊路基路面頂層的豎向位移曲線

圖4 路基施工完成時的豎向位移云圖

由圖3可知，隨著填筑施工作用下舊路面頂層兩側呈現出不對稱的沉降變形，特別是右側的路基路面頂層沉降最大，該現象產生原因為：路基結構拓寬其右側填筑的土體比左側要多，導致作用在地基表面上的附加荷載右側大于左側，而附加荷載較大的一側使得地基土體被進一步壓縮，加大了其沉降，最終使得右側的路面頂部沉降較大。路基路面的不均勻沉降危害不言而喻，本文引入路面的最大沉降值與最小沉降值之間的差值作為不均勻沉降系數差值，其不均勻沉降系數差值（ξ）表達式為式（1）：

上式中，Smax—為路面頂層的最大沉降值（mm）；Smin—為路面頂層的最小沉降值（mm）。

通過計算可得到路基路面頂層在其周邊拓寬填筑施工的影響下的不均沉降系數差值，其具體如表2所示。

表2 每層填筑施工下的路基路面頂層最小與最大沉降值

通過表2可知，右側路基開始施工至其填筑施工完成時，其路基路面頂層的不均勻沉降系數差值也逐漸增大；當左側路基開始施工至其填筑施工完成時，其路基路面頂層的不均勻沉降系數差值由最大又逐漸減小為12.1mm，由此可見，路基在拓寬施工中，對其路基兩側同時填筑施工更可以有效抑制不均勻沉降的發生。

3.2 施工填筑下新路基坡腳處的水平位移規律分析

根據有關研究均表明，在路基施工的過程中其往往最先在坡腳處發生破壞。因此，提取在施工填筑下的坡腳處沿地表深度的水平位移值。

其如圖5～圖8所示。

由圖5可知，右側路基施工填筑所引起的右側路基坡腳處沿地表深度的土體水平位移在靠近地表區域向路基內側運動，在地表深度2m處由位移最小值逐漸增大最大值，其在達到最大值后又逐漸減小，每層施工填筑下的坡腳處水平位移曲線呈現出“鼓包”形；另外，隨著右側路基填筑施工的進行，其坡腳處沿地表深度的水平位移逐漸增加。

圖6顯示，右側路基的施工對左側路基坡腳處的水平位移造成影響，隨著右側路基施工的進行其約在坡腳地表深度的10m以下水平位移逐漸增大，而在距地表深度10m以上的土體隨著填筑進行其水平位移像路基方向移動越明顯，該現象的產生主要緣于路基的兩側施工不同時與結構性不對稱所引起的。

圖6 左側路基坡腳處沿地表深度的水平位移（右側路基施工）

圖7可知，左側路基的施工對右側路基坡腳處沿地表深度的水平位移影響并不明顯。

圖7 右側路基坡腳處沿地表深度的水平位移（左側路基施工）

圖8顯示左側路基的施工下，其左側路基坡腳處沿地表深度的土體水平位移值隨著施工填筑的進行而增加，且每層施工填筑作用下所引起的沿地表深度的土體位移規律基本一致。

圖8 左側路基坡腳處沿地表深度的水平位移（左側路基施工）

3.3 施工填筑下新路基坡腳處的剪應力變化規律分析

以右側路基坡腳處為例，分別進行分析右側（R7）與左側（L4）路基填筑施工完成時沿地表深度的剪應力分布值。如圖9所示。

圖9 右側路基坡腳處沿地表深度的剪應力分布曲線

由圖9可知，在路基拓寬施工中產生的附加應力，其在地表處剪應力值最小分別為12.68kPa（R7）和11.84kPa（L4），之后剪應力值均隨著沿地表深度逐漸增大，約在距離地表的14m深度處剪應力達到最大值，其最大值分別為32.33kPa（R7）和32.58kPa（L4），在達到最大值后又開始逐漸減小。

4 結論

①非對稱性的路基結構在對其進行擴建施工，所引起的路基路面沉降變形也呈現非對稱性，就本工程項目而言，左右兩側路基施工填筑下其右側路基沉降變形大于左側路基的沉降變形，同時，非對稱性結構的拓寬路基會促進路基路面不均勻沉降的產生。

②擴建道路的本工程項目中，其施工順序為先是右側路基施工填筑完成后再進行左側路基施工填筑，此施工方案不利于控制路基路面的不均勻沉降變形，擬建議改成同時兩側路基施工填筑更為合理。

③在路基拓寬填筑施工下，其兩側的坡腳處沿地表深度的土體水平位移曲線規律基本一致，在靠近地表深度的土體位移均向著路基方向移動，距離地表深度約10m處的土體位移開始逐漸增大，在達到最大值后又逐漸減小。