惠深高速扩建拼接段路基变形分析研究

吕蒋聪 张 亮

工程技术领域中的许多力学问题和场问题，都可以归结为在给定边界条件下求解其控制方程的问题。虽然能够得到它们的基本方程和边界条件，但是能够用解析法去求解的只是少数性质比较简单和边界比较规则的问题，而实际结构的形状和所受的载荷往往比较复杂，按解析法求解是非常困难的。解决这类复杂问题主要有两种方法：1)引入简化假设，使其达到能用解析法求解的状态，然后求其近似解。该法计算简便但是与工程的实际情况不是十分吻合。2)运用数值模拟技术，它是人们在现代数学、力学理论的基础上，采用离散化的数值计算方法并借助于计算机技术来获得满足工程要求的数值近似解。数值模拟技术是现代工程仿真学形成和发展的重要推动力之一。在岩土工程数值分析和计算中常用的数值模拟计算方法主要有有限元法、离散元法、边界元法等［1-4］。

由于有限元法无论在理论上还是工程实践应用上都有较好的应用范例，所以本文采用有限单元法模拟计算了新老路基的差异沉降。

1 模型假设条件

1)采用双侧拓宽方式拓宽，新拓宽部分以老路中心线为中心，对称布置在老路两侧;2)路堤足够长，将该三维空间问题转化为二维平面问题，按平面应变问题进行处理;3)模型中的单元采用平面应变八节点等参单元，本构模型选用扩展的线性Drucker-Prager模型;4)老路基自身的固结变形已经完成;5)模型的两侧受到水平方向的约束作用，底部受到水平和竖向的约束作用;6)将路面荷载等效为1.5 m厚的路基填土荷载［5］。

现有的高速公路拓宽工程一般由双向四车道拓宽为双向六车道、双向八车道、双向十车道或双向十二车道。从现实情况看，如果采用双侧对称拓宽，每侧拓宽宽度分别取为4.5 m，8.25 m，12 m和15.75 m进行计算较为合理。

2 网格划分和边界条件

由于本文选用双侧对称拓宽，荷载作用完全对称，因此为了在数值计算中提高运行效率，取结构的一半为研究对象，其中老路基半宽为11.5 m，边坡坡度为1∶1.5。

在分析时，力的边界条件：地基在自重作用下的位移已经完成，外荷载只考虑路堤土(包括等效的路面荷载)的重力作用［6，7］。位移边界条件：结构模型的左右边界分别为横向固定约束，只产生竖直方向的位移;底部无任何位移，故施加水平和竖向约束。

3 材料的计算参数

本文材料参数选于各参考文献，其具体计算参数见表1。

表1 各材料参数表

以路基高度为5 m，四车道拓宽成八车道(每侧拓宽8.25 m)为例，通过计算路基土内的应力变化，以及路基内的水平与竖向沉降，研究拓宽改建后新老路基的不均匀沉降规律得知，当拓宽8.25 m时，路基土体内应力分布从路基顶面到路基底面产生了不同的变化，在地基底部应力较大，但变化缓和;在新老路基结合部出现应力集中;同时在老路基顶面靠近中心的位置，应力出现增大趋势，分析其原因可能新路基施工后，产生了附加沉降，该作用是老路基顶面老路中心线附近产生了轻微的拉应力导致的［8］。

路基的竖向最大位移在新拓宽路基的顶部边缘，在新老路堤结合部出现位移变化不连续，原因在于新老路基的材料性质差异，不同步沉降造成的;在新老路基结合部正下方并靠近地基顶面的地方，产生了一个靠近老路基的水平位移，而在新路基坡脚下一定深度处产生一个远离路中心线的区域。拓宽后，随着离老路中心线的距离越来越远，老路基顶面的水平位移线性增加，而新路基顶面的水平位移先增大后减小，但新路基顶面水平位移的最大值仍小于老路基路肩处的水平位移［9］。从路基顶面的竖向沉降看，新路基顶面竖向沉降变化较大，新路基作为附加荷载，仅对距老路中心线5 m左右以外的横坡产生较大影响。

4 不同拓宽宽度的对比分析

路基高度选为5.5 m，新老路路基边坡都选为1∶1.5时，将不同拓宽宽度的计算结果(主要是新老路基顶面和地基表面的位移)做如下对比分析。计算结果见图1，图2。

从图1，图2看出随着拓宽宽度的增加，新路基引起的水平位移和竖向沉降都有明显的增加。

图1表明，随距老路中心线的距离增加路基表面水平位移线性增大，在老路的边缘水平位移达到最大值，然后位移有先增大后减小的趋势。当拓宽宽度大于8.25 m时新路堤顶面出现负的位移值，即新路基产生了向老路基一侧的水平位移，这是由于新路形心下的地基产生了最大沉降，新路堤填土向下移动导致。从图2可以得知，路基顶面的竖向附加沉降曲线呈勺形，拓宽宽度越大形状越明显，当拓宽宽度大于12.5 m后，沉降的最大值并不是出现在新路基的路肩，而是在靠近旧路基的新路基路肩内侧。

从图3得知，新路基宽度的增加引起地基表面的沉降逐渐增大，产生沉降的最大值由拓宽4.5 m时产生的2.9 cm增加到拓宽15.75 m时的9.2 cm。图3中还表明沉降的最大值点有向外侧移动的趋势，可以推测由于新路基荷载近似为平行四边形，其荷载形心位置随宽度的增大有外移的趋势，故其水平位移最大值也有外移的趋势。老路基拓宽后引起裂缝的产生，其中重要的一个原因是，新老路基的横向不均匀沉降引起的。反映新老路基横向不均匀沉降程度的标准为新老路基的横坡度改变的大小，即新路与老路基的沉降坡差。在计算时横坡度取为拓宽后新路基的坡差与老路基的坡差的差值。

图4表明，随着拓宽宽度的增加，新老路基之间的坡差总体呈增加的趋势，但增加的量越来越小。坡差改变意味着拓宽后新老路路基的不均匀沉降改变情况。过大的横坡比对道路的使用非常不利，故应该控制过大的变坡率。

［1］ 章定文，刘松玉.软土地基上高速公路加宽工程中的问题与对策探讨［J］.路基工程，2004(3)：34-38.

［2］ 应荣华，郑健龙.老路拓宽沉降规律ANSYS有限元分析［J］.公路，2006(4)：140-143.

［3］ 周 恒，陈 征，孙家骏.软土地基上高速公路建设及加宽全过程沉降有限元分析［J］.交通标准化，2006(6)：91-94.

［4］ 蒋 洋，王晓谋，胡元鑫.不同拓宽条件下新老路基不协调变形特征分析［J］.中外公路，2010(5)：46-50.

［5］ 林乐彬，刘寒冰，苏志满，等.拓宽加载对旧路基附加沉降影响数值分析［J］.公路交通科技，2008(10)：41-44.

［6］ 富海鹰，蒋 鑫，邱延峻.旧路拓宽不均匀沉降特性分析［J］.四川建筑科学研究，2007(4)：138-141.

［7］ 黎 霞.新老路基沉降机理有限元数值模拟分析［J］.中外公路，2006(4)：30-33.

［8］ 唐朝生，刘义怀，施 斌，等.新老路基拼接中差异沉降的数值模拟［J］.中国公路学报，2007(2)：13-17.

［9］ 章定文，刘松玉.高速公路扩建工程中新路填筑对老路影响的参数分析［J］.公路交通科技，2006(7)：31-34.