山嶺地區(qū)公路工程加寬擴(kuò)建數(shù)值模擬分析

摘要：山嶺地區(qū)公路工程受地形條件限制，路面寬度較窄，為改善區(qū)內(nèi)交通狀況和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，往往需要對(duì)路面寬度進(jìn)行拓寬。依據(jù)某山區(qū)公路工程項(xiàng)目，在現(xiàn)有路基斷面形式的基礎(chǔ)上，采用有限差分軟件建立計(jì)算模型，分析加寬寬度、加寬高度對(duì)原有路基和加寬路基的沉降影響。研究表明：路基的沉降最大值主要集中在路基表面，向填筑體內(nèi)部路基的沉降逐漸減小；加寬路基的沉降與加寬高度、加寬寬度有明顯關(guān)系，隨著后兩者的增加，前者呈非線性增加后有所降低。而原有路基的沉降受加寬路基的加寬寬度影響不明顯，受加寬高度的影響較小。

關(guān)鍵詞：山嶺地區(qū)；公路工程；路基加寬；數(shù)值模擬

0" "引言

山區(qū)地形復(fù)雜，公路建設(shè)困難，對(duì)既有公路進(jìn)行升級(jí)改造，成為提高公路等級(jí)和改善山區(qū)交通基礎(chǔ)設(shè)施的有效途徑之一。對(duì)舊公路的擴(kuò)建面臨著與新建公路截然不同的諸多問題，如新舊路基銜接不良導(dǎo)致路基失穩(wěn)、路面工作性能下降，路基橫向不均勻沉降引起反坡等，極大地限制了山區(qū)公路工程的建設(shè)與發(fā)展[1-3]。

目前針對(duì)新舊路基的銜接方面，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者主要集中在對(duì)新舊路基不均勻沉降的處置方面。J.H Forsman、V.M Uotinen等通過采用土工合成材料的措施對(duì)路基進(jìn)行加固，減小了路基的水平應(yīng)力，并利用有限元模擬進(jìn)行了土工合成材料的數(shù)值分析[4]。唐朝生、范紅英等研究了新舊路基的拼接工藝等，采用分臺(tái)階開挖、夯實(shí)、增加土工格柵等措施，改善路基結(jié)構(gòu)、填筑的密實(shí)度和受力性能，進(jìn)而降低了路基的不均勻沉降[5]。

上述諸多研究主要集中在對(duì)路基沉降的事后處置上，而對(duì)新舊路基不良沉降產(chǎn)生的機(jī)理以及其影響因子等方面研究較少。本文依托福建某山區(qū)公路工程項(xiàng)目，在分析工程基本建設(shè)概況的基礎(chǔ)上，采用有限差分軟件建立新舊路基分析模型，研究加寬高度、加寬寬度對(duì)原有路基和加寬路基的影響，研究成果可為山區(qū)公路工程的加寬設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1" "工程概況

福建某山區(qū)公路為三級(jí)公路，為縣域交通干線，經(jīng)過山嶺重丘地區(qū)，沿線地形復(fù)雜，坡度較大，路基填挖方較多。由于受山區(qū)地形條件和區(qū)域經(jīng)濟(jì)條件的限制，原設(shè)計(jì)路基高度不等，主要為3.0m、4.0m、5.0m。原設(shè)計(jì)路面較窄，路面寬度為6.0m，局部為5.50m。為雙向2車道，路面為混凝土結(jié)構(gòu)。

目前年平均晝夜交通量達(dá)到4000輛，車行限速為50km/h，現(xiàn)狀道路寬度和等級(jí)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)有的交通發(fā)展需求。為改善山區(qū)的出行條件和吸引入山游客，需對(duì)道路進(jìn)行加寬改造，根據(jù)區(qū)域地形地質(zhì)條件，擬計(jì)劃將原路基面寬度增加至13.0m，如圖1所示。

2" "計(jì)算參數(shù)的選取及數(shù)值模型的建立

2.1" " 計(jì)算參數(shù)的選取

擴(kuò)寬道路的典型道路1/2橫斷面如圖2所示。道路的橫斷面主要有加寬路基、原有路基和地基組成，新舊路基的填筑坡率皆為1：1.5。由于地基在原有路基上部長(zhǎng)期車輛荷載作用以及自重固結(jié)沉降下，其強(qiáng)度和穩(wěn)定性較好，因此選取較大的計(jì)算參數(shù)值，以減少對(duì)新舊路基的沉降影響。

加寬路基與原路基的物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)，根據(jù)地質(zhì)鉆探資料綜合分析確定，如表1所示。為了更好地分析沉降數(shù)據(jù)，在新舊路基表面布置沉降觀測(cè)點(diǎn)，以道路中心線為原點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置分別為1.5m、3.0m、3.7m、4.4m、5.1m、5.8m、6.5m。

2.2" " 數(shù)值模型的建立

為揭示新舊路基的沉降規(guī)律，提高計(jì)算結(jié)果的可靠性和運(yùn)行速率，在建立數(shù)值模型時(shí)對(duì)現(xiàn)實(shí)的擴(kuò)建道路進(jìn)行一定程度上的簡(jiǎn)化。建立模型時(shí)，做出以下假設(shè)：①原路基、加寬路基和地基為各項(xiàng)同性體，材料的力學(xué)性能在空間方向上均勻、連續(xù)、無(wú)差異；②路基結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)條形結(jié)構(gòu)，滿足平面應(yīng)變問題的各種條件，為保證計(jì)算精度，沿路基軸線方向上取長(zhǎng)度為1.0m；③忽略地下水、地表水和雨水的影響；④原路基與加寬路基之間的過渡連續(xù)，不出現(xiàn)沿銜接面的相對(duì)滑動(dòng)；⑤地基底部邊界對(duì)豎向和水平向皆進(jìn)行約束，而在模型兩側(cè)邊界設(shè)置水平向約束，路基頂面為自由面；⑥由于路基的對(duì)稱性，計(jì)算采取1/2路基結(jié)構(gòu)進(jìn)行求解；⑦計(jì)算時(shí)，原路基、加寬路基、地基的本構(gòu)均服從摩爾-庫(kù)倫準(zhǔn)則。

采用FLAC 3D有限差分軟件建立計(jì)算模型，利用軟件內(nèi)嵌的四方形網(wǎng)格劃分程序，對(duì)原路基、新路基和地基分別進(jìn)行網(wǎng)格網(wǎng)格化，具體的計(jì)算模型如圖3所示，共獲取計(jì)算節(jié)點(diǎn)9536個(gè)，網(wǎng)格數(shù)1209個(gè)。

3" "計(jì)算成果分析

3.1" " 不同路基加寬寬度的沉降分析

考慮到不同路基加寬深度對(duì)新舊路基沉降的影響，分別將路基的加寬寬度設(shè)置為2.0m、3.0m、3.5m，高度統(tǒng)一設(shè)置為3.0m，圖4為數(shù)值模擬計(jì)算云圖。從圖4可以看出，路基的沉降主要發(fā)生在新填筑路基部分，沉降較大值主要集中在路基表面，隨著加寬路基填筑寬度的不斷增加，沉降位移最大值從路基頂部向填土內(nèi)部呈梯度衰減。云圖中深色區(qū)域沿著新填筑土坡率逐漸擴(kuò)大和擴(kuò)深，而原有路基的沉降與加寬路基的寬度關(guān)系不明顯。由此表明，在施工建設(shè)中，有必要對(duì)加寬路基的上部采取一定的措施進(jìn)行剛度加強(qiáng)，比如提高路基壓實(shí)度、輔助土工格柵等措施。

圖5為不同路基填筑寬度時(shí)，路基頂部不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的沉降曲線，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置如圖2所示。由圖5可以看出，隨著填筑寬度的增加，原路基（距離小于等于3.0m范圍）的沉降基本不變。而對(duì)于加寬路基，隨著距離道路中線的增大，加寬路基的沉降值呈非線性增大。當(dāng)路基擴(kuò)寬寬度大于3.0m后，路基的沉降曲線出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且沉降最大值向新填筑路基的路肩方向移動(dòng)。填筑寬度為2.0m、3.0m、3.5m的沉降最大值分別為4.01mm、6.88mm、9.06mm，環(huán)比增幅越來越大。

3.2" " 不同填筑路基高度的沉降分析

考慮到路基填筑高度對(duì)路基沉降的影響，根據(jù)實(shí)際線路中原有路基的填筑高度，分別選取高度為3.0m、4.0m、5.0m進(jìn)行計(jì)算，加寬寬度分別設(shè)置為3.5m。圖6為不同填筑高度時(shí)，加寬路基的沉降云圖。從圖6中可知，加寬路基的高度對(duì)沉降的影響與加寬寬度影響規(guī)律一致，路基沉降的最大值主要發(fā)生在路基表面，且向填筑土體內(nèi)部不斷折減擴(kuò)散，呈現(xiàn)出圓弧形。

圖7為加寬路基不同高度時(shí)的沉降曲線。從圖7中可以看出，原路基（距離小于等于3.0m范圍）的沉降值，隨著路基高度的增加有略微的增加。這是由于新填筑路基相當(dāng)于對(duì)原路基增加上部荷載，原有路基在荷載作用下進(jìn)一步壓密沉降。在路基橫向上，新填筑路基自身的沉降呈現(xiàn)出非線性增加后減小的趨勢(shì)，且最大位移發(fā)生在接近路肩位置。新填筑路基的沉降受路基的填筑高度明顯影響，隨著高度的增加，其沉降值也增加。在填筑高度為3.0m、4.0m、5.0m時(shí)，沉降最大值分別為2.50mm、3.58mm、4.03mm，環(huán)比增幅有所減小。

4" "結(jié)論

山嶺地區(qū)公路工程受地形條件限制，路面寬度較窄，為改善區(qū)內(nèi)交通狀況和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，往往需要對(duì)路面寬度進(jìn)行拓寬。本文依據(jù)某山區(qū)公路工程項(xiàng)目，在現(xiàn)有路基斷面形式的基礎(chǔ)上，采用有限差分軟件建立計(jì)算模型，分析加寬寬度、加寬高度對(duì)原有路基和加寬路基的沉降影響。研究結(jié)果表明： 路基的沉降最大值主要集中在路基表面，向填筑體內(nèi)部路基的沉降逐漸減小，表明在施工建設(shè)中，有必要對(duì)加寬路基的上部進(jìn)行一定的措施進(jìn)行剛度加強(qiáng)，比如提高路基壓實(shí)度、輔助土工格柵等措施。加寬路基的沉降與加寬高度、加寬寬度有明顯關(guān)系。加寬路基隨著加寬寬度的增加，沉降曲線呈非線性增加后有所降低，且沉降最大值向新填筑路基的路肩方向移動(dòng)。而原有路基的沉降受路基的加寬寬度影響不明顯，加寬高度增加時(shí)略有增加。

參考文獻(xiàn)

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