公路改扩建工程路基不均匀沉降的机理分析

廖俊棠

(广西交通科学研究院，广西　南宁　530007)



公路改扩建工程路基不均匀沉降的机理分析

廖俊棠

(广西交通科学研究院，广西南宁530007)

廖俊棠(1982—)，工程师，主要从事公路设计工作。

摘要：公路改扩建工程中，新旧路基不均匀沉降是常见的病害之一。因此，如何降低不均匀沉降成为公路改扩建工程中的关键。根据广西公路改扩建工程的特点，文章利用有限元分析法，研究新旧路基的变形特征，揭示不均匀沉降的产生机理，为旧路改扩建工程的设计、研究提供科学依据。

关键词：公路改扩建工程；新旧路基；不均匀沉降；有限元；机理分析

0引言

随着经济的快速发展，广西路网交通量日益增加，路网原有的通行能力已远不能满足日益增长的交通需求。为了提高路网的道路通行能力，“十二五”期间，广西将继续推进交通优先发展策略，加大交通基础设施建设投入。受投资、征地、环保等因素所限，广西路网建设一直贯彻“以旧路加宽改造为主、以改善路面为主”的原则，公路拓宽改建过程中必然面临着新旧路基不均匀沉降的问题。因此，如何合理控制新旧路基的不均匀沉降成为公路改扩建工程中的关键性问题之一。

公路改扩建工程中的路基主要由旧路基及新建路基组成，两者通过机械夯实的方式拼接在一起。由于旧路基在自身重力和行车荷载的作用下沉降固结已基本完成，而新路基沉降时间较短，新旧路基之间必然产生不均匀沉降，进而产生裂缝、错台、滑塌等病害，从而影响行车的舒适性和安全性。本文在总结已有研究成果的基础上，结合广西公路改扩建工程的实际情况，拟利用有限元分析法，研究新旧路基的变形特征，揭示了新旧路基不均匀沉降的产生机理，结果可为旧路改扩建工程的设计、研究提供科学依据。

1有限元计算

1.1　有限元计算概述

有限元分析法的主要思路是将研究模型分解成有限个单元体，并赋予每个单元体相应的物理方程。同时，通过节点将单元体连接成整体，由此得到求解问题的有限元计算方程，然后根据边界和初始条件求解方程，最终得到问题的数值解。有限元分析法是目前最常用的数值计算方法之一，处理复杂工程问题中具有突出的优点：(1)可求解非线性问题；(2)可处理非均质、几何形状各异的实际结构；(3)可模拟复杂的边界条件和材料本构关系；(4)复杂的计算过程可通过计算机完成，大大减少了计算时间，提高了计算精度。本文运用有限元分析软件建立路基沉降模型，充分考虑荷载和边界条件的影响作用，模拟路基的固结压缩变形及路基内部的应力变化过程，计算新旧路基的不均匀沉降。

1.2　土体本构模型

土是一种受多因素影响的复合体，其力学行为复杂多变。本文采用在土力学中被广泛采用的摩尔-库伦模型来模拟土体的变形，这一理论认为土的破坏是剪切破坏，因此，一旦土体内任一平面上的剪应力达到了土的抗剪强度土就发生破坏。在一定的应力范围内，法向应力和剪应力的关系可由线性方程来表征：τf=c+σtgφ。摩尔-库伦模型可以较好地反应出土体的非线性应力-应变特征，对模拟新、旧路基及地基的变形有很好的适应性。

1.3　计算模型

考虑到影响新旧路基不均匀沉降的因素十分复杂，对计算模型进行如下的假定：

(1)由于路基的长度远大于路基的宽度，可认为路基不会沿纵向方向变形，因此，路基变形计算按平面问题考虑，采用二维有限元分析；

(2)将土体视为弹塑性材料，采用摩尔一库伦模型进行模拟；

(3)新旧路基接触面稳定、连续，不发生滑移；

(4)新路基填筑前，旧路基和地基已固结完成，在自身重力作用下不会发生固结变形，但在新路堤作用下会再次发生沉降；

(5)根据公路改扩建工程实际的路基宽度和拓宽方式设计模型的尺寸大小，并施加与实际一致的约束条件。

1.4　计算参数

本文选取工点路堤顶宽6m，路基填高8m，坡比1∶1.5。路基加宽方式为单侧加宽，加宽宽度为4m，坡比为1∶1.5。计算参数如表1所示：

表1　有限元计算参数表

1.5　网格划分

在有限元计算中，所要求求解的模型分解成一组虚拟的面或线组成的有限个单元的组合体，即用这些有限个单元体的集合来代替原来的求解区域。在实际计算软件程序中，网格类组被化为为三角形单元，其中有15和6节点单元可供选择，为提高计算精度，本文选用15节点单元的网格形式。计算模型网格划分如图1所示：

图1　有限元网格划分图

1.6　施工过程的模拟

为了模拟实际施工过程中分层填筑路基的情况，计算中采用分层叠加路堤的模式。计算过程中，通过软件中的“分步施工命令”来实现模拟路基分层填筑的情况。“分步施工命令”中，将路堤设为分4层填筑，每层填筑厚度为2m，填筑速率为2m·10d-1。

2结果与分析

根据上述的参数及模型，通过有限元计算，得到不同阶段路基加宽后新旧路基沉降分布云图，如图2~5所示：

图2　新路基填筑至2 m高时的沉降分布图

图3　新路基填筑至4 m高时的沉降分布图

图4　新路基填筑至6 m高时的沉降分布图

图5　新路基填筑至8 m高时的沉降分布图

由图2~5可以看出，随着新路基填筑高度的增加，路基整体的沉降分布也发生了变化，新路基沉降趋势逐渐增大，此外，新路基对旧路基的影响也逐渐增大，造成了旧路基的附加沉降也慢慢增大。由于新路基沉降的增长速率较快，随着填筑高度的增加，新旧路基的不均匀沉降也逐渐增加。至新路基填筑结束时，新路基沉降远大于旧路基沉降，沉降的最大值出现在新路基路肩附近。

提取有限元计算结果数据，并绘制成图，得出路基顶面沉降曲线图，如图6所示：

图6　路基沉降曲线图

从图6可见，距离旧路中心线越大，沉降越大，旧路基沉降最大值出现在路肩边缘，为2.1cm，新路基最大沉降同样出现在路肩边缘，为5.5cm，新旧路基差异沉降为3.4cm。分析曲线走向趋势可得，旧路基段曲线增长比较平缓，大体上呈等斜率变化，而在新旧路基拼接处沉降曲线的曲率变化较大，有突变的趋势。

为了进一步揭示不均匀沉降对路基整体稳定性的影响，利用软件中应力分析功能得到了路基内部剪应力分布图，如图7~10所示：

图7　新路基填筑至2 m高时的剪应力分布图

图8　新路基填筑至4 m高时的剪应力分布图

图9　新路基填筑至6 m高时的剪应力分布图

图10　新路基填筑至8 m高时的剪应力分布图

从图7~10中可以看出，随着新路基填筑高度的增加，路基内剪应力的分布区域逐渐发生了变化，最大值也逐渐增加，剪应力的最大值由旧路基的坡脚处向新旧路基结合处移动，当新路基填筑完成后，剪应力最大值分布于新旧路基结合处的中部位置。由此可见，在公路改扩建工程中，由于新旧路基不均匀沉降的影响，新旧路基结合部会产生剪应力的集中，造成结合部的稳定性降低，容易产生新路基沿新旧路基结合面滑移等病害。

由以上分析可见，造成新旧路基不均匀沉降的主要原因包括三方面：(1)新路基在自重作用下的固结沉降变形；(2)地基在新路基荷载作用下的固结沉降变形；(3)新旧路基结合部由于剪应力集中造成的强度不足。

3结语

(1)公路改扩建工程中，新路基以边载的形式作用于旧路基边坡上，随着新路基高度的增加，旧路基的沉降也逐渐变大。但由于新旧路基的固结程度、路基刚度不一致，造成新旧路基之间产生不均匀沉降。因此，路基的不均匀沉降主要是由于新旧路基自身变形的差异化造成的。

(2)新旧路基沉降最大值均出现在路肩边缘，从分布趋势来看，路基的沉降分布在新旧路基的结合部有突变。

(3)由于新旧路基不均匀的沉降，新旧路基的结合部产生剪应力聚集，剪应力最大值出现在新旧路基结合处的中部。由此可见，新旧路基结合处是最薄弱的地方，应予以重视，可采用开挖台阶、铺设土工格栅等处治措施加强新旧路基的结合力度，保证路基的整体稳定性。

参考文献

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Mechanism Analysis for Uneven Roadbed Settlement of Highway Reconstruction and Expansion Projects

LIAO Jun-tang

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：In highway reconstruction and expansion engineering，the uneven settlement of new and old road-bed is one of common diseases.Therefore，how to reduce the uneven settlement becomes the key in highway reconstruction and expansion projects.According to the characteristics of Guangxi highway reconstruction and expansion projects，this article studied the deformation characteristics of new and old roadbed by using the finite element analysis method，and revealed the generation mechanism of uneven settlement，thereby providing the scientific basis for the design and research of old highway reconstruction and expansion pro-jects.

Keywords：Highway reconstruction and expansion project； New and old roadbed； Uneven settlement； Finite element； Mechanism analysis

收稿日期：2015-04-03

文章编号：1673-4874(2015)05-0019-04

中图分类号：U418.8

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.006

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