市政道路上跨地下結構物路基穩定分析

摘 要：采用Midas有限元分析軟件，對車輛荷載作用下市政道路上跨地下環路時結構物沉降進行分析，發現上部市政道路呈現路基覆土越厚，沉降值越小，反之沉降越大的規律，并且當覆土厚度達到9.5m時，可滿足道路路基沉降控制標準。車輛荷載可以顯著增加路基豎向（46%）及側向（100%）土壓力，此外，由于道路基層使車輛荷載擴散，增加了荷載對地下結構物的影響，因此對道路基層施工進行質量控制是工程施工過程中的管控重點。

關鍵詞：市政工程；市政道路；地下結構；路基穩定

中圖分類號：TU 99" " 文獻標志碼：A

隨著城市基礎設施建設的不斷發展，越來越多的地下空間逐漸開發利用，市政道路上跨地下結構物也逐漸增加。目前，國內外學者也對此進行研究。張博等[1]對地下結構物及設施的空間布局進行歸納總結，指出其在規劃、建設和后期運營中存在的問題，并提出對應的解決方案。黃業禹、馬強[2]通過數值算例，分析了移動荷載作用下非飽和土地基動力響應。LI S Y[3]采用2.5維有限元法（FEM）對地基土飽和與否對移動荷載產生的振動幅值的影響進行分析。WANG X D等[4]基于三階剪切變形理論（TSDT）發現，在移動荷載作用下，路面溫度較高會導致柔軟度和車轍深度增加。趙亞軍等[5]采用移動均布荷載模擬車輛荷載，分析不同的行車速度和車輛荷載作用下土石混填路基動應力、變形的響應規律，并確定路基工作區深度。

雖然目前國內外學者取得了大量的研究成果，但基本集中在地下結構物空間布局以及車輛荷載作用下的路基土動力響應，對車輛荷載作用下的地下結構物與上部道路之間的路基穩定方面研究較少，因此分析道路上跨地下結構物路基具有重要的實用價值。

1 道路上跨地下環路結構物沉降分析

1.1 車輛荷載對地下環路結構影響

T5站前商務區市政道路投入使用后，在車輛荷載作用下，上部市政道路與地下環路之間的覆土層將會產生應力重分布，導致市政道路基礎變形。同時，車輛荷載通過覆土層作用到地下環路結構物上，將會影響其結構穩定。對市政道路近距離跨接地下結構物來說，此影響非常重要，在變形超過限值后，會對上部的道路基礎與下部的地下結構物造成損壞，危及人員行車及行走安全。

由車輛荷載作用引起的土體應力重分布，根據文獻[6]所述，可按圖1的傳播方式進行預測。由圖1可以看出，當地下環路頂部覆土較淺時，土體分散車輛荷載發揮的作用較小，地下環路結構物受到的影響較大。

1.2 道路上跨地下環路數值模型

采用Midas有限元分析軟件對空港新城T5站前商務區市政道路車輛荷載作用下，地下環路頂部覆土層，即道路路基所受影響進行數值模擬。

結構模型選取地下環路縱向10m，橫向兩側各5m范圍為研究對象。根據表1中的地基土物理力學指標及各結構層材料參數，以0.5m×0.5m的單元模擬土體，土體符合摩爾—庫倫理論。假定各結構層之間連續，忽略同質材料之間的相互作用，建立如圖2所示的數值模型，均采用線彈性模型。參照規范標準，汽車荷載等級取公路—Ⅱ級，其車道荷載的均布荷載標準值為7.875kN/m。

表1 模型材料參數表

序號 結構層 材料類型 彈性模量/MPa 泊松比

1 面層 瀝青 1400 0.35

2 基層 水泥穩定碎石 3000 0.2

3 褥墊層 碎石 300 0.25

4 土基 回填土 30 0.35

5 地基土 30 0.35

1.3 道路上跨地下環路計算結果分析

在車輛荷載作用下，上部市政道路路基與下部地下環路將會產生沉降[7]。在有限元模型中，以模型縱向中心為原點，以線路前進方向為正，得到結構物沉降隨原點距離變化曲線，如圖3所示。

由圖3可知，在車輛荷載作用下，地下環路整體沉降相對較小且基本保持平穩發展，地下環路為整體現澆，其結構物剛度較大，并且地下環路基礎相對較為牢固。因為距原點的距離不同時，其道路下覆土厚度存在差異，所以上部市政道路路基土沉降則變化較大。對模型計算結果來說，距原點-5m處的覆土厚度最大，此時道路路基沉降量最小，從-2m至原點區間，覆土厚度逐漸減少，沉降值則在逐漸增加，這與土體應力分布傳播方式造成的影響相吻合。

在車輛荷載作用下，基本可以忽略對地下環路結構物的影響，但其對市政道路路基土的影響較大，且呈現路基覆土越厚，沉降值越小，反之沉降越大的趨勢。

1.4 道路路基最佳覆土厚度分析

地下環路主要布置于地下2層，為避免地下環路主線上方覆土過厚造成土壓力增加，影響環路結構穩定，同時結合研究中發現的規律，須對市政道路路基覆土厚度進行分析，保證在不對地下環路結構產生影響的情況下，減少市政道路路基沉降，保證地上、地下結構物的穩定。

為確定最適宜的道路路基覆土厚度，對模型中覆土厚度參數進行調整計算，得到結構物沉降隨覆土厚度變化曲線，如圖4所示。

由圖4可知，隨著覆土厚度不斷增加，道路路基沉降逐漸減少，對地下環路來說，沉降值變化整體較平穩。根據項目管理規定，并結合工程實際情況，道路路基沉降以6mm為標準進行控制。結合圖5的計算結果，當覆土厚度達到9.5m時，各結構物均能滿足沉降控制要求。

2 道路結構層車輛荷載影響分析

在T5站前商務區市政道路投入使用后，實際車輛荷載工況是十分復雜且難以精準預測的，在有限元數值模型中，道路不同結構層施加不同車輛荷載，對道路路基覆土的土壓力受荷載影響變化進行計算分析，是一種較為有效且符合實際工況的方法[8]。

2.1 土基頂面車輛荷載影響分析

根據有限元模型，在土基頂面施加100kN、150kN、200kN、250kN這4種車輛荷載，分別計算不同車輛荷載下道路路基的豎向及側向土壓力，從而分析車輛荷載對道路路基的穩定性影響。計算結果如圖5所示。

由圖5可知，隨著車輛荷載增加，道路路基豎向及側向土壓力均呈現增長趨勢，且土壓力變化與路基覆土深度成正比。對比4種不同車輛荷載工況，在相同計算深度，與100kN時相比，荷載250kN作用下的豎向土壓力平均增加60kPa，增長幅度約為46%。側向土壓力平均增加35kPa，增長幅度約為100%。結果表明，車輛荷載作用對道路路基的側向土壓力影響較大且影響效果顯著。

2.2 基層頂面車輛荷載影響分析

在基層頂面施加與上文（在土基頂面建立施加100kN、150kN、200kN、250kN車輛荷載）相同的車輛荷載，計算結果如圖6所示。

由圖6可知，在道路基層施加車輛荷載后，道路路基土壓力變化曲線與土基層施加荷載時基本一致，但土壓力數值明顯增加。在相同車輛荷載工況下，與土基頂面施加荷載相比，基層頂面施加荷載的路基豎向土壓力分別增加34kPa、39kPa、44kPa、48kPa。路基側向土壓力分別增加21kPa、26kPa、30kPa、31kPa。由此可見，由于存在道路基層，因此在車輛荷載作用下，豎向土壓力平穩增加，而側向土壓力的增加幅度逐漸降低。采用水泥穩定碎石對基層進行施工，層體結構強度比其他土質層更大，因此可將上部車輛荷載有效傳遞至下方結構。盡管通過基層可擴大上部車輛荷載傳遞面積，但基層存在，道路結構層的總荷載仍在增加，導致車輛荷載的影響也增加，因此道路路基的土壓力均呈現增加的趨勢[9]。

3 結論

分析道路上跨地下環路結構物沉降與道路結構層車輛荷載影響，可為市政道路上跨地下結構物路基穩定研究提供思路，指導工程施工，本次研究得出以下結論。1）在車輛荷載作用下，車輛荷載對市政道路路基土影響較大，呈現路基覆土越厚，沉降值越小，反之沉降越大的趨勢。當地下環路頂部覆土較淺時，土體分散車輛荷載發揮的作用較小，地下環路結構物受車輛荷載的影響較大。2）當覆土厚度達到9.5m時，可滿足道路路基沉降6mm的控制標準。3）在車輛荷載作用下，道路路基豎向土壓力增加幅度約為46%，側向土壓力增加幅度約為100%，表明車輛荷載作用對道路路基的側向土壓力影響較大且影響效果顯著。4）道路基層結構強度大，對上部車輛荷載傳遞與擴散具有促進作用，但總荷載也會增加，使車輛荷載造成的影響也變大，因此施工過程中應該加強道路基層施工質量控制。

參考文獻

[1]張博，范祥，蔣少武，等.城市地下環路集約建設模式存在的問題及解決思路[J].建筑經濟，2023，44（增刊1）：42-45.

[2]黃業禹，馬強.移動荷載作用下非飽和土地基動力響應分析[J].青海大學學報，2022，40（5）：47-53，82.

[3]LI S Y. Dynamic responses of unsaturated ground with or without

embankment under moving loads using 2.5D FEM with perfectly

match layer[J]. Geomechanics and Geoengineering，2022，17（5）：1594-1617.

[4]WANG X D，ZHOU G L，LIU H Y，et al.Key Points of RIOHTRACK Testing Road Design and Construction[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development （English Edition），2020，14（4）：1-16.

[5]趙亞軍，曹浩，宋楊，等.移動車輛荷載下土石混填路基動力響應分析[J].河北水利電力學院學報，2022，32（3）：14-20.

[6]關寶樹.隧道工程施工要點集[M].北京：人民交通出版社，2003.

[7]黃新連.市政道路近距離上跨運營鐵路隧道方式研究[J].鐵道建筑技術，2019（5）：41-44，69.

[8]顧雷華.高填方機場下穿通道土壓力的分布規律[J].城市道橋與防洪，2020（7）：285-289.

[9]姚志雄，吉磊，劉耀星，等.交通荷載對淺埋群洞隧道的動力影響分析[J].現代隧道技術，2022，59（3）：107-117.