压路机碾压荷载在施工期对路基拼接变形影响的数值分析*

袁建议 涂跃亚 程 涛 吴振华 向 健

(黄石理工学院土木建筑工程学院，湖北黄石435003)

由于高速公路建设突飞猛进，大部分高速公路需要联网畅通，一些满负荷运行的线路也需要拓宽扩容。根据铁路“十一五”规划，“十一五”期间，我国将建设铁路新线17 000 km，其中既有线增建二线8 000 km，有相当一部分集中在我国东部膨胀土地区一带[1-4]。采用老路加宽进行铁路的改扩建将是我国本世纪铁路建设所面临的非常重要和必须解决的问题。

1 工程简介

西宁客运专线(西安—南京)合肥段增建二线工程是西安南京线西安至合肥段的Ⅰ类变更工程。工程所经地区主要为平原区，局部为丘陵、河谷区，大部分地区为第4系地层所覆盖，区域阶地的主要组成物质为裂隙粘土，硬塑～半干硬，矿物成分以蒙脱石、伊利石为主，为弱至中等强度的膨胀土，边坡易产生浅层破坏，除个别地段外，膨胀土沿线分布[5]。设计的路基厚度为6 m，其中表层为0.6 m，底层为1.9 m，路基本体3.5 m;膨胀土路堤基床表层为换填0.5 m的A级填料和0.1 m厚的中粗砂;路基基床底层采用石灰改良土填筑，石灰掺入配比为5% ～7%[6];路基边坡采用浆砌片石护坡防护，基床以下部分采用膨胀土填筑。新老路基搭接先进行老路基削坡，然后按照一定的台阶断面进行逐层开挖、逐层填筑，构筑新路基。

2 数值模拟分析

模拟对象为高速铁路新老路基的搭接，运用FLAC 3D数值计算软件进行模拟运算不同阶段对新老路基搭接处和老路基的变形，新老路基均考虑为双线路基型式，路基实体为选取的典型断面尺寸，路基高度取3种工况，即3 m、6 m、9 m。土体模型应用 Mohr-Coulomb塑性模型，采用8节点块体(brick)单元和6节点楔体(wedge)单元。梯形路基上边长为25.1 m，路基坡度 1 ∶1.5。

3 工程实例

3.1 参数设计

模拟过程中考虑开挖过程，即将开挖的和填筑的每一层面均作为模拟的一个过程，从而实现与实际一致的过程模拟，不同计算层面土体的物理力学指标见表1。

路基自上而下分为3层结构，即基床表层、基床底层和路基本体，施工工序为老路基搭接区域台阶逐层开挖、逐层填筑新路基方式，台阶搭接横断面为 0.6 m × 1.0 m[7-8]。运营阶段列车荷载按照文献[7]中换算土柱高度方法，换算[9]求得单轨上列车、枕轨、扣件和钢轨的土柱高度为3 m，分布宽度为3.3 m，容重为18 kN/m3，然后按45°扩散角进行传递作用于基床表层，等量静荷载为q=41.0 kPa;道碴厚度取为 0.5 m，道碴荷载均布作用于基床表层，荷载为9.13 kPa，水平作用宽度10.1 m。

表1 不同计算层面土体的物理力学指标

3.2 计算结果分析

为了寻求合理的路基高度参数，分别进行了路基高度为3 m、6 m、9 m 3个方案的模拟。进行路基高度对搭接处的变形影响分析，选取老路基面、坡脚点和搭接面点的垂直方向变形作为分析目标，计算模型如图1所示。

图1 计算模型网格划分图

3.2.1 路基高度为3 m的工况

新老路基均考虑为双线路基型式，梯形路基上边长为25.1 m，下边长为34.1 m，高度为3 m，路基坡度1∶1.5，考虑边界效应，地基计算宽度为90 m，高度为17.5 m，纵向取为20 m。第1层为基床表层0.6 m，第2层为基床底层1.8 m，第 3 层为路基本体0.6 m，分为 5 级台阶、10道施工步(开挖，填筑各为一步)、3种方案(3种压路机)进行模拟。

为了便于分析新路基加载对老路基和新老路基搭接处的变形趋势，以方案1为代表，并对比分析3种方案。选取老路基基床表层、坡脚A点和新老路基搭接处B点的变形作为研究对象，分析其在不同施工工序下的变形。从图2可以看出，不同施工工序下对老路基基床表层的垂直变形沉降影响较大，表层垂直变形值随施工进行逐渐增加，边缘最大垂直变形值为25.9 mm，列车运营阶段导致的垂直变形最大增量为27.4mm。

图2 不同施工工序下对老路基表层的垂直变形

在按方案1分步开挖填筑过程中，由于附加应力的影响，规律明显，老路基的坡角A点处发生隆起，水平变形达2.4 mm，竖向变形达4.3 mm，3种方案下竖向变形增量分别是0.217 9 mm，0.186 9 mm，0.009 34 mm，如图 3所示。不同施工工序下对新老路基搭接处B点的水平变形影响不大，最大变形值为3.1 mm，而竖向变形较大，竖向变形最大值为24.9 mm，3种方案下竖向变形增量分别为-8.0 mm，-6.9 mm，-3.9 mm，如图 4 所示。

图3 不同方案下坡脚A点竖向变形增量

图4 不同方案下搭接处B点竖向变形增量

3.2.2 路基高度为6 m的工况

第1层为基床表层0.6 m，第2层为基床底层1.8 m，第 3层为路基本体3.6 m，分为 10级台阶进行施工，模拟分为20道施工工序。在方案1不同施工工序下，老路基边缘最大垂直变形值为24 mm，列车运营阶段导致的垂直变形最大增量为8.7 mm。

在分步开挖填筑过程中，对坡脚A点的水平变形达8 mm，竖向变形达8 mm;3种方案下的竖向变形增量分别为0.122 4 mm，0.106 7 mm，0.054 mm，如图 5 所示。

不同施工工序下对新老路基搭接处B点的水平最大变形值为3.6 mm，最大垂直变形值为24 mm，3种方案下的竖向变形增量分别为-4.3 mm，-3.7 mm，-2.2 mm，如图 6 所示。

图5 不同方案下坡脚A点竖向变形增量

图6 不同方案下搭接处B点竖向变形增量

3.2.3 路基高度为9 m的工况

第1层为基床表层0.6 m，第2层为基床底层1.8 m，第 3层为路基本体6.6 m，分为 15级台阶进行施工，模拟分为30道施工工序。在方案1不同施工工序下，老路基基床表层边缘最大垂直变形值为28 mm，列车运营阶段导致的垂直变形最大增量为8.8 mm。

在分步开挖填筑过程中，老路基的坡角A点处水平变形达15.5 mm，竖向变形达11.6 mm;3种方案下的竖向变形增量分别为0.14 mm，0.121 mm，0.083 mm，如图 7 所示。

不同施工工序下对新老路基搭接处B点的水平最大变形值为1.6 mm，竖向变形达27.8 mm;3种方案下的竖向变形增量分别为-3.849 mm，-3.369 mm，-2.237 mm，如图 8所示。表2为各工况下数值模拟计算结果的比较。不同路基高度下路基拼接对路基面竖向变形的影响如图9所示。

图7 不同方案下坡脚A点竖向变形增量

图8 不同方案下搭接处B点竖向变形增量

图9 不同路基高度下路基拼接对路基面竖向变形的影响

表2 不同工况下对老路基主要指标的变形影响(mm)

4 结论

1)同一路基高度，不同压路机荷载作用下，坡脚A点和新、老路基搭接处B点的垂直变形增量随压路机荷载的增大而增大。

2)同一压路机荷载作用，不同路基高度的条件下，坡脚A点，新老路基搭接处B点和老路基表面的垂直变形成非线性变化。其中，6 m路基高度相较其他路基高度的变形值最小。可以认为，3 m路基高度的变形主要以地基沉降为主;9 m路基高度的变形主要以路基本体的压缩变形为主，所以，6 m的路基高度为较合适的高度。

3)路基施工完成，不同路基高度下新线列车运营引起的变形增量相差不大，这是由于路基土体固结沉降已经基本完成。

4)根据列车轨道的不平顺性3 mm要求，路基拼接施工期间需对老线进行限速或采取其他措施进行处理，以保证行车安全和路基的整体稳定性。

[1]郭志边，余佳，徐泽中.高速公路拼接段地基处理方法的探讨[J].施工技术，2002，31(1):45-46

[2]黎志光.高速公路加宽扩建工程新老路衔接的处理措施[J].广东公路交通，2001(2):9-10

[3]张清平，周志刚.土工合成材料在旧路加宽中的机理研究[J].公路与汽运，2006(1):93-95

[4]王波，张朋声.高速公路路基病害成因及在改扩建工程中保证加宽质量的措施研究——以沈大高速公路改扩建工程为例[J].交通标准化，2006(2):124-128

[5]陈玉良，吕悦，张志宁.公路拓宽改建工程路面纵向开裂原因及防治[J].华东公路，2003(1):38-41

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[8]马晓晖，李立寒.新老路面结构拼接部位的受力状态分析[J].华东交通大学学报，2010，27(1):1-5

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