基于有限元模型分析公路拓寬路基差異沉降影響因素

■李明明

（山西交通控股集團有限公司晉城高速公路分公司，晉城 048000）

早期建成的高速公路由于設計標準低、交通量飽和等問題[1]，運營服務水平大幅降低，亟需進行改擴建增加運輸能力。 對原有高速公路進行拓寬改造，可提升公路建設標準和運輸服務水平，而改擴建路段新舊路基的沉降控制是施工中的難點。改擴建施工中，由于新舊路基的固結程度不同[2-3]，原路基在長時間使用后已基本固結穩(wěn)定， 而新建路基還需要一定時間固結，容易產(chǎn)生不均勻沉降導致道路結構開裂。 對于軟土地基或采用具有較高壓縮性的路基填料，施工后新建路基固結沉降量更大[4-5]，導致道路結構出現(xiàn)縱向開裂、沉陷等病害，影響行車安全。 在新舊路基結合部位設置土工格柵或土工格室[6]，可有效降低差異沉降，提高路基的整體穩(wěn)定性。 因此，在公路改擴建工程中，對影響路基沉降因素進行研究， 降低路基不均勻沉降，為路基拓寬段施工提供參考，具有較高的實用意義。 國內(nèi)學者對路基差異沉降控制開展了大量研究，對路基拓寬方式、填筑高度、填料性質(zhì)等因素對路基沉降的影響進行了分析[7-8]，得出了大量研究結論，積累了大量施工經(jīng)驗。本研究采用有限元軟件，通過建立模型模擬不同工況，對高速公路新舊路基沉降影響因素進行分析，以期為現(xiàn)場施工提供技術參考。

1 有限元模型基本假定與模擬工況

1.1 基本假定

為了能夠順利進行數(shù)值模擬分析，在建立有限元模型前作以下假定：（1）將三維空間問題簡化為二維問題，建立路基結構二維模型；（2）由于高速公路路基具有對稱性[9]，故取一半路基作為研究對象，建立摩爾-庫侖模型；（3）模擬分析中假定路基土為飽和土，將土體結構看作多孔結構，土壤顆粒是不能被壓縮的；（4）土工格柵利用承受軸向拉力的單位進行模擬；（5）原路基和地基的最初固結狀態(tài)利用初始應力狀態(tài)進行模擬[10]，且不考慮原路基固結沉降；（6）假定作用在路基上部的荷載為均布荷載；（7）在新舊路基結合部位，土工格柵與路基填土接觸，利用接觸組單獨模擬。

1.2 模擬工況

計算過程中主要模擬以下4 種工況：（1）未做加筋處理的高填方路基；（2）采用土工格柵或土工格室做加筋處理的高填方路基；（3）采用土工格柵或土工格室做加筋處理的低填方路基；（4）路基填料選擇碎石土或黏性土，分層施工、分層加載模擬路堤填筑過程。

2 有限元模型建立

2.1 項目簡介

某高速公路建成于20 世紀90 年代，通車運營多年路基路面出現(xiàn)多種病害，已經(jīng)過多次養(yǎng)護維修。 近年來，由于地方經(jīng)濟發(fā)展造成交通量大幅增長，交通運輸能力和服務水平均不能滿足當前公路運營要求。 為快速提升運力，擬進行改擴建施工，改善公路線型，提升服務水平。 原道路設計采用雙向四車道，路基設計寬度為24.5 m，擴建后路基設計寬度提升至40.5 m，采用雙向八車道設計。 根據(jù)公路沿線地形情況，路基拓寬采用單側加寬和雙側加寬兩種形式，其中以雙側加寬為主。

2.2 模型基本信息

本研究選擇兩側加寬方式，以原路基中心線為對稱軸，取路基右半部分作為研究對象。 在路基填筑過程中鋪設土工格柵進行加筋，土工格柵彈性模量取值為75 MPa。高填方路基高度為18 m，單側加寬寬度為7.5 m，邊坡坡度均取1∶1.5，地基計算深度為20 m，地基計算寬度為120 m。 低填方路基填方高度為5 m，單側加寬寬度為7.5 m，邊坡坡度取1∶1.5，地基計算深度為10 m，地基計算寬度為120 m。

2.3 計算參數(shù)

根據(jù)路基現(xiàn)場勘察報告和室內(nèi)試驗結果，確定路基填料、地基土、土工格柵和土工格室計算參數(shù)見表1。

表1 各材料計算參數(shù)

2.4 網(wǎng)格劃分與邊界條件

本研究利用彈性薄膜理論模擬路基加筋土，將土工織物看作彈性薄膜，認為在厚度方向上彈性薄膜的應力是均勻的，分析加筋土體的受力狀態(tài)和變形情況。 利用路基計算模型，路基部分網(wǎng)格劃分較密，地基較稀疏，以減少計算量，模型網(wǎng)格劃分見圖1。 模型邊界條件為： 模型左右邊界水平方向約束，垂直方向自由；模型下邊界水平和垂直方向全約束，模型上部邊界自由。

圖1 路基計算模型網(wǎng)格劃分

3 加筋處置后路堤變形分析

3.1 加筋材料因素

為降低改擴建路段不均勻沉降，采用土工格柵和土工格室進行加筋處理，分析加筋效果。 分別對未采用加筋處理、土工格柵和土工格室加筋處置后的高填方路堤變形進行計算，未加筋路堤沉降與水平位移云圖見圖2，整理土工格柵和土工格室計算數(shù)據(jù)，繪制高填方和低填方路堤沉降對比分析曲線見圖3、4。

圖2 未加筋高路堤沉降云圖

圖3 加筋后高填方路基沉降變化曲線

由圖2 可知， 在未采用加筋處理的情況下，在距路基中心線15 m 左右沉降量最大，最大值為37.72 cm，在路基中心線附近沉降量最小，最小值為2.36 cm。 隨距路基中心距離的增加，路基沉降量呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，沉降量最大值出現(xiàn)在新舊路基結合部位。

由圖3 可知，采用兩種方法加筋處置后，隨著距路基中心距離的增加，路基沉降均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，且采用土工格柵加筋后路基沉降量高于土工格室加筋。 采用土工格柵加筋處置后路基沉降量最大值也出現(xiàn)在距離路基中線15.5 m 位置，最大值為17.68 cm，在路基中線附近沉降量最小，最小值為1.93 cm，路肩位置沉降量為11.26 cm。 而高填方路基加筋位置沉降量明顯低于路基表面，采用加鋪土工格室處置后的路堤沉降量最小值也出現(xiàn)路基中線附近，最小值為0.92 cm，相比減少了52.3%，沉降量最大值出現(xiàn)在距路基中線15.5 m 左右，最大值為14.92 cm，右路肩沉降量為10.36 cm，相比分別減少了15.6 %和8.0 %。 與土工格柵加筋效果相比， 采用土工格室加筋后路堤沉降量進一步減小，加筋效果更好。 這是由于土工格室增加了路基結構的整體穩(wěn)定性，在新舊路基結合部位設置土工格室可有效降低差異沉降。

由圖4 可知，低路堤兩種加筋方法處置后地基沉降量均較小，且同樣是采用土工格室路基沉降量更小， 沉降量最大值出現(xiàn)在距路基中線15.5 m左右，加筋位置沉降量低于路基表面。 采用土工格室和土工格柵加筋路基沉降最大值分別為7.62 cm和8.45 cm，土工格室加筋低于土工格柵，相比減少了9.8 %。土工格室屬于立體加筋結構，加筋后可提升路基整體結構的剛度，進而降低路基工后變形。

圖4 加筋后低路堤沉降變化曲線

3.2 填料因素

本研究路堤填料選用碎石或黏性土，加筋材料采用土工格室，分別選擇兩種填料模擬填筑施工進行分層加載，整理路堤沉降計算繪制沉降變化曲線見圖5。

圖5 不同填料路基沉降變化曲線

由圖5 可知，采用碎石填料路基沉降量較小，且兩種填料路基沉降量均在15 m 位置得到最大值。 分析曲線變化趨勢，采用碎石填料路基沉降量曲線變化相對平緩，且沉降量也較小，而采用黏性土作為路基填料沉降量相對較大，且最大值均出現(xiàn)在距路基中線15 m 左右，分別為12.13 cm 和27.66 cm，兩者相比沉降量增加了56.1 %，說明采用碎石填料路基沉降量較小，可降低新舊路基的差異沉降。

3.3 填方高度因素

隨路基填方高度的增加，路基自重荷載隨之增加，路基填筑后所產(chǎn)生的固結沉降也隨之增加，新舊路基的差異沉降會有一定幅度的增大。 為分析不同填筑高度新舊路基的差異沉降，路基填料選擇碎石土，采用土工格室進行加筋處理，填筑高度分別選擇3、6、9、12、15 和18 m，分別計算不同高度路基各部位的沉降量，繪制沉降變化曲線見圖6。

圖6 不同填方高度路基沉降變化曲線

由圖6 可知，隨著填方高度的增加，路基各部位沉降量也增加，不同填方高度路基沉降變化曲線基本一致。 各填方高度路基沉降量最大值均出現(xiàn)在距路基中線約15 m 的位置，且隨填方高度的增加幅度逐漸放緩。 尤其是當填方高度超過12 m 以后，路基沉降量增幅減小明顯， 當填方高度從12 m 增加到15 m 時，最大值從6.95 cm 增加到7.13 cm，增加了2.59%； 當填方高度從15 m 增加到18 m 時，最大值從7.13 cm 增加到7.21 cm， 增加了1.12%，說明當填方高度超過12 m 后，填方高度對路基沉降的影響減弱。 同時，采用土工格室進行加筋處理是路基沉降量減小的另一原因，提升了路基的整體穩(wěn)定性，有效控制路基差異沉降。

4 結語

本研究結合高速公路改擴建工程項目，利用有限元進行數(shù)值模擬分析，探討各類因素對新舊路基差異沉降的影響，得出以下結論：（1）通過對比分析可知加筋處理后的路基沉降量明顯減小，其中沉降量最大值均出現(xiàn)在距路基中線15 m 左右，且采用土工格室處理效果較土工格柵好；（2）路基填料選擇碎石較黏性土填料路基沉降量更小，路基沉降量最大值均出現(xiàn)在距路基中線15 m 左右， 分別為12.13 cm 和27.66 cm，說明采用碎石土填料并進行加筋處理后可明顯降低路基沉降；（3）路基沉降量隨路基填方高度增加而增大，且當填方高度達到12 m 以上后路基沉降量增長幅度明顯減小，在加筋處置的情況下，路基沉降量得到有效控制。 根據(jù)上述分析結果，得出路基填料應選擇碎石土，加筋材料優(yōu)先選擇土工格室，在加筋處理后路基填筑高度達到12 m 以上后對路基沉降量的影響逐漸減弱。