新旧路基结合部加固措施的数值模拟研究

李方东

(中铁十四局集团 第二工程有限公司，山东 泰安 271000)

新旧路基结合部加固措施的数值模拟研究

李方东

(中铁十四局集团 第二工程有限公司，山东 泰安 271000)

通过现场监测，运用有限元分析的基本原理，采用Adina数值模拟软件，分析了不同加固措施对新旧路基结合部固结沉降与水平位移的影响。加固前后的计算结果表明，开挖台阶法较为稳固，加筋土路基减小沉降和水平位移效果不明显，使用轻质路基更为经济有效。可为类似工程提供参考。

加固路基 新旧路基结合部 有限元 Adina 数值模拟

由于铁路的既有线线路标准较低，迂回线、曲线较多，这在很大程度上制约着列车速度的提高。因此需要进行铁路的既有线改造，这就造成新旧路基结合的问题。在新旧路基结合的研究方面，陆新民，谢关云［1］通过采用分析总和法计算最终沉降，用比奥固结理论计算施工期沉降，并采用基于遗传算法的反分析方法反算所需参数。费正华，邓水明［2］提出了应用邓肯—张非线性模型对路基沉降量进行估算的近似算法，并与规范算法和实测沉降进行了对比分析。本文从有限元分析的角度出发，利用Adina软件进行数值模拟，对新老路基拼接地段的沉降规律进行研究。

1 工程简况

玉山到湖沿段 DK342+480路基为梯形断面，旧路基宽13 m，新路基宽4 m，坡度为1∶1.5，路基填筑高度为6.6 m。地基大致分为两层：上层为粉质黏土，厚度大约为4 m，下层为卵石土。见图1。

图1 新旧路基示意(单位：m)

2 Adina有限元模型的建立

2.1 基本假定

1)在二维平面模型中，填土和路基均采用四节点平面单元，在三维立体模型中，填土和路基采用八节点立体单元，材料本构采用摩尔—库仑模型。

2)地基土视为饱和土，考虑为多孔介质，路基填土部分，由于其渗流作用对分析影响不大，故不考虑，只将其自重作为外荷载考虑。

3)进行固结计算时采用比奥固结理论。

4)格栅采用只承受轴向力的杆单元(Trass)，材料为线弹性。

5)Adina中没有接触单元，土与格栅的接触用接触组来模拟。

6)采用初始应力状态来模拟旧路基和地基的先期固结。

2.2 材料强度参数

根据地质勘查资料、设计资料以及工程经验，新旧路基以及地基上下层土体的物理力学参数如表1所示。

表1 物理力学参数

2.3 有限元模型

由于地基是半无限空间，在有限元计算中要取一定的范围进行计算，在本计算模型中，取地基的计算宽度为100 m，地基计算深度取为20 m。模型的左右边界均为横向的固定约束，没有水平位移，模型的下面边界为横向和竖向约束，没有水平和竖直位移。其余均为透水边界。新旧路基结合良好，没有滑动位移。有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型及其边界条件

3 数值模拟及结果分析

对玉山到湖沿段DK342+480断面新旧路基结合处，未采取处治措施及采取三种处治措施分别进行数值模拟和结果分析。

3.1 新旧路基未采取处治措施效果分析

3.1.1 新旧路基沉降变化云图

整个路基与地基的沉降变化情况见图3。路基最大的沉降发生在新路基一侧，最大值为7.594 cm，而旧路基一侧位移有较小的上升。

图3 路基沉降变化云图(单位：m)

3.1.2 新旧路基顶面的沉降

新旧路基顶面沉降曲线如图4所示。由曲线可知，新路基的沉降明显大于旧路基。路基顶面的沉降最大值发生在新路基的最右端。1 000 d时最大沉降量为5.5 cm。

图4 路基顶面沉降曲线

同时，曲线也描述了沉降与时间的变化关系，以新路基右边顶点为例，5～250 d的沉降量为1.41 cm，750～1 000 d的沉降量为0.24 cm，这说明随着时间的变化，沉降变化速率逐渐减小，路基的固结趋于完成。

3.1.3 地基表面的沉降

地基表面在 5，250，750，1 000 d的沉降量如图 5所示。和路基顶面相似，随着地基固结度的不断增加，地基表面的沉降速率随着时间的增长而减小，而沉降的最大值发生在新旧路基结合处附近。最大沉降量为6.29 cm。

图5 地基表面沉降曲线

图6 新旧路基结合处顶面沉降—时间变化曲线

3.1.4 新旧路基结合处顶面沉降

新旧路基结合处顶面沉降—时间变化曲线见图6。在固结过程中，在新路基荷载的作用下，孔隙水不断被排除，地基中孔隙水压力逐步消散，因此，路基的固结沉降速率不断减小。折线斜率在1 000 d时几乎趋于零，这说明1 000 d后路基的固结沉降已经基本完成。

3.2 新旧路基采取的处治措施

由以上分析可知，没有采取任何处治措施的情况下，新路基的填筑会引起旧路基的附加变形，产生新旧路基不均匀沉降，会对后期线路的运营造成严重的危害。因此，必须对新旧路基结合部采取一定的处治措施，提高新旧路基的整体性和稳定性，减小不均匀沉降。比较常见的处治措施有：旧路基开挖台阶，加筋土路基，轻质路基以及复合地基等。由于复合地基造价较高，施工期长，因此在实际施工中不常采用。

1)开挖台阶

在旧路基上开挖台阶，可以提高新旧路基的整体性，有效防止新旧路基之间的滑移，减小不均匀变形。但台阶开挖的尺寸不能过大，过大不但会增加原有路基的开挖量，而且会增加新路基的自重，进而引起较大变形。该方法在工程中已经有所应用，实践证明效果良好［3］。

2)加筋土路基

利用土工合成材料的高强度、韧性等力学性能，在新旧路基衔接的台阶处设置土工格栅，可有效加强新旧路基间的联结，减少不均匀沉降和侧向位移。土工格栅的加固机理存在于土工格栅与路基土的相互作用中。其一，格栅表面与土体产生摩擦;其二，由于网孔的存在，网格上层的填料与下层的填料可以相互作用，对加固材料产生锁定作用。因此加筋土路基具有较强的摩擦性和一体性［4］。

3)轻质路基

轻质路基采用轻质填料填筑路基，可以提高新路基的强度和稳定性，减小新路基本身的压缩变形以及长期列车荷载作用下引起的路基塑性累积变形。由于其自重轻，也可以减小对老路基和地基的附加压力，进而减小了地基的固结变形，减小不均匀沉降。常用的轻质路基填料有粉煤灰，EPS等。该方法已经在工程实践中得到应用，效果良好。

3.3 新旧路基采取处治措施后效果分析

通过有限元计算结果，分别从路基顶面竖向(水平)位移，地基表面竖向位移以及坡脚水平位移4个方面对3种处治措施的处治效果进行对比分析。

3.3.1 新旧路基顶面位移

图7和图8是新旧路基在不同处治措施下路基顶面沉降和水平位移对比图。由图可知，轻质路基较加筋土路基和开挖台阶法改善效果更佳。轻质路基将最大竖向位移由7.52 cm变为4.19 cm。最大水平位移由2.44 cm减小为1.21 cm，较大地减小了新旧路基的不均匀沉降。

图7 不同处治措施下路基顶面沉降曲线

图8 不同处治措施下路基顶面水平位移曲线

3.3.2 地基表面沉降

图9和图10分别描述了地基表面在不同处治措施下沉降和新路基右侧坡脚处不同深度处的水平位移。由图可知，加筋土路基和轻质路基在竖向和水平位移都比开挖台阶法有所改善，但加筋土路基的改善效果不够明显。轻质路基将最大竖向位移由8.06 cm变为4.76 cm;水平位移由1.22 cm减小为0.75 cm，较大地减小了新旧路基的不均匀沉降。

图9 不同处治措施下地基表面沉降曲线

图10 新路基右侧坡脚处地基不同深度下水平位移曲线

4 结论

由以上分析可知，开挖台阶，加筋土路基以及轻质路基等3种处治措施都可以有效地减少路基和地基的沉降及水平位移，从而提高路基和地基的承载力和稳定性。

1)新旧路基结合面未采取处治措施时，新旧路基顶面沉降最大值发生在新路基的最右端。地基表面沉降最大值发生在新旧路基结合处附近。

2)开挖台阶对新旧路基结合处的加固效果较明显。土工格栅可以提高新旧路基整体稳定性。轻质路基可使水平位移和竖向沉降都有显著的减小，在3种处治措施中效果最佳。

3)数值计算的精度很大程度上依赖于物理力学参数的准确度。本文的参数主要来自于地质勘察资料和室内试验结果，其准确性应根据现场监测数据进行反演分析，这一部分仍有待探讨。

［1］陆新民，谢关云．湖盐公路改建工程路基沉降计算分析及预测［J］．浙江交通科技，2003(4)：3-6．

［2］费正华，邓水明．应用邓肯—张非线性模型近似计算路基沉降［J］．中南公路工程，2001(3)：15-16．

［3］翁翕，贾力宏，张理京．露天采场台阶开挖对公路路基稳定性影响的有限元数值模拟和评价［J］．岩土工程技术，1998(1)：16-20．

［4］刘胜群，陈玉平．加筋土路基非线性有限元分析研究［J］．铁道建筑，2006(8)：61-64．

U213.1+5

A

1003-1995(2012)01-0086-03

2011-05-13;

2011-08-31

国家自然科学基金资助项目(50820135907;50909056)

李方东(1974— )，男，山东东平人，高级工程师。

(责任审编 葛全红)