不同设计参数对公路拓宽路基变形特性的影响

薛 洋

（新疆瑞路丰工程技术有限公司，新疆 昌吉 831100）

引言

随着社会经济的高速发展，公路交通流量及交通荷载持续增长，导致早期修建的公路已无法满足通行需求。因此，为提高道路通行能力，我国开始大规模开展公路路基拓宽工程。刘展瑞等[1]采用有限元数值分析和现场调研的方法建立旧路基分析模型，探讨了旧路基不同换填深度对新旧路基应力和差异的影响。陈超[2]通过建立拓宽段不同路基填土参数下的力学计算模型，研究了高速公路不同路基填土参数对竖向位移、水平位移、竖向应力、剪应力等力学行为的影响。张潭等[3]利用有限元软件建立四级公路单侧拓宽、双侧拓宽、挖除重筑三种拓宽方式数值模型，结合现场实测沉降数据，分析了不同拓宽方式下路基不均匀沉降特性。卫高明[4]以某高速公路路基拓宽工程为例，采用数值模拟分析了不同路基拓宽宽度下的路基变形、地基变形及路面横坡的变化规律。现有研究大多是针对单一参数对拓宽路基变形的影响，缺乏不同设计参数对拓宽路基变形影响的系统性研究。

1 工程概况

某城市高等级公路，全长7.62 km，原有路面宽度为12.5 m，车道设计为双向四车道，最高行驶速度为70 km/h，安全等级为公路Ⅰ级，路基高度为6 m，边坡比为1 ∶1.5，目前已运营10 a。现由于交通量的不断增大，原设计车道数已无法满足运营需求，因此，计划对原有双向路基进行拓宽，以提高该线路的运营能力。拓宽后路基宽度由12.5 m 增至24.5 m，车道增至双向八车道，路基高度与边坡比均保持不变，拓宽方式采用双侧同时拓宽路基，单侧拓宽宽度为6 m。新旧路基采用台阶式拼接方式，并采用夯击法对拼接处进行加固，台阶宽度为2 m。新路基填筑分为4 层，每层填筑高度为1.5 m。根据原有地质勘测结果显示，地基土层主要包括2 m 厚硬壳层、10 m 厚亚黏土层和12 m 厚淤泥质黏土层。拓宽路基截面见图1。

图1 拓宽路基/m

2 建立模型

运用有限元软件ABAQUS 建立拓宽路基数值模型，模型中拟定路基为不透水弹性材料，采用四节点平面应变单元模拟，拟定地基为透水塑性材料，采用平面应变空隙水压力单元模拟，计算模型共包含637 个单元和732 个节点，其有限元模型见图2。

图2 有限元模型

考虑到拓宽路基影响因素的复杂性，计算过程中考虑各层材料为均质、连续且完全黏合；假定路堤作为平面应变问题考虑，考虑地基土的固结问题；假定路基和地基均为理想弹塑性体；假定新旧路基拼接处接触连续，无滑移与脱落现象；土体本构关系采用摩尔-库伦弹塑性模型；考虑荷载为20 kPa 等效均布荷载。为保证计算结果的精准性，对模型底部采用水平和竖向位移约束，两侧采用水平位移约束，地下水位线位于地表处，顶部为透水边界，其余均为不透水边界。模型中土体计算参数见表1。

表1 土体计算参数

3 结果与分析

3.1 拓宽方式

为比较不同拓宽方式对拓宽路基变形特性的影响，分别建立路基单侧拓宽12 m 和双侧同时拓宽6 m 的计算模型，并针对2 种拓宽方式下路基的水平位移及竖向沉降变化规律进行对比分析，结果见图3。

图3 路基变形特性变化曲线

根据图3 可知，采用单侧拓宽方式的新旧路基水平变形差异较大，且在新路基路肩位置出现了反向位移，路基表面最大水平位移出现在路基中心线位置，最大值为2.73 cm。采用双侧拓宽方式的新旧路基水平变形基本呈中心线对称分布，最大水平位移出现在两侧新旧路基拼接位置，最大值为1.21 cm，相对于单侧拓宽路基最大水平变形降低近55.6%。采用单侧拓宽方式的新旧路基竖向沉降差异较大，路基表面最大沉降值为-15.93 cm，而采用双侧拓宽方式的新旧路基竖向沉降差异较小，其最大沉降值为-11.38 cm，相对于单侧拓宽路基最大沉降量降低了28.6%。综上，拓宽路基采用双侧拓宽方式对于控制新旧路基水平变形及沉降差异的效果要优于单侧拓宽方式。

3.2 路基高度

为研究不同路基高度对拓宽路基变形特性的影响，运用软件分别建立路基高度为2.5 m、5 m、7.5 m及10 m 的计算模型，采用双侧拓宽方式，拓宽宽度为6 m，并针对不同路基高度的路基水平位移及竖向沉降变化规律进行对比分析，结果见图4。

图4 路基变形特性变化曲线

根据图4 可知，随着路基高度的增大，新旧路基表面的水平位移呈不断增大趋势变化，路基高度为2.5 m、5 m、7.5 m 和10 m 的新旧路基最大水平位移分别为0.39 cm、1.10 cm、1.93 cm 及2.71 cm，增幅较为明显，说明路基高度变化对于新旧路基水平变形的影响较大。随着路基高度的增大，新旧路基表面的竖向沉降呈不断增大的趋势变化，路基高度为2.5 m、5.0 m、7.5 m 和10.0 m 的新旧路基最大沉降量分别为8.02 cm、11.56 cm、14.37 cm及16.71 cm，沉降增幅较大，说明路基高度的变化对于新旧路基不均匀沉降的影响较大。综合来看，路基高度的增大会同时增大新旧路基的水平位移和竖向沉降，不利于新旧路基的安全稳定性，因此，在实际工程中路基高度不宜设计过高。

3.3 路基宽度

为研究不同路基宽度对拓宽路基变形特性的影响，运用软件分别建立路基宽度为4.5 m、6.5 m、8.5 m 及10.5 m 的计算模型，并针对不同路基宽度的路基水平位移及竖向沉降变化规律进行对比分析，结果见图5。

图5 路基变形特性变化曲线

根据图5 可知，新旧路基表面的水平位移随着路基宽度增大而逐渐增大，路基宽度为4.5 m、6.5 m、8.5 m 和10.5 m 的新旧路基最大水平位移分别为0.87 cm、1.10 cm、1.32 cm 及1.53 cm，最大水平变形均发生在新旧路基拼接位置，说明路基宽度的变化对于新旧路基的水平变形存在一定影响。随着路基宽度的增大，新旧路基表面的竖向沉降呈不断增大的趋势变化，路基宽度为2.5 m、5.0 m、7.5 m和10.0 m 的新旧路基最大沉降量分别为9.59 cm、11.46 cm、12.93 cm 及14.44 cm，增幅相对显著，说明路基宽度的变化对于新旧路基不均匀沉降的影响较为明显。综合来看，路基宽度的增大会同时增大新旧路基的水平位移和竖向沉降，且对于新旧路基不均匀沉降的影响要大于水平变形的影响。

3.4 路基弹性模量

为研究不同路基弹性模量对拓宽路基变形特性的影响，运用软件分别建立路基弹性模量为5 MPa、10 MPa、15 MPa 及20 MPa 的计算模型，针对不同路基弹性模量的路基水平位移及竖向沉降变化规律进行对比分析，结果见图6。

图6 路基变形特性变化曲线

根据图6 可知，随着路基弹性模量的增大，新旧路基表面的水平位移呈不断减小趋势变化，路基弹性模量为5 MPa、10 MPa、15 MPa 和20 MPa 的新旧路基最大水平位移分别为1.69 cm、1.11 cm、0.87 cm 及0.73 cm，减幅较为明显，说明路基弹性模量对于新旧路基水平变形的影响较大。随着路基弹性模量的增大，新旧路基表面的竖向沉降呈不断减小的趋势变化，路基弹性模量为5 MPa、10 MPa、15 MPa 和20 MPa的新旧路基最大沉降量分别为13.48 cm、11.46 cm、10.71 cm 及10.32 cm，沉降量减幅较为明显，说明路基弹性模量对于新旧路基不均匀沉降的影响较大。综合来看，路基弹性模量的增大可以同时降低新旧路基的水平位移和竖向沉降，对于控制新旧路基的水平变形和不均匀沉降效果显著，因此，在实际工程中可以选择弹性模量较高的填土填筑路基。

4 结语

（1）从水平变形和沉降差异角度分析，双侧拓宽方式控制效果要明显优于单侧拓宽方式。（2）路基高度的增大会同时增大新旧路基的水平位移和竖向沉降，且路基高度越大，新旧路基水平变形和不均匀沉降越大，不利于新旧路基的安全稳定性。（3）路基宽度的增大会同时增大新旧路基的水平位移和竖向沉降，且对于新旧路基不均匀沉降的影响要大于水平变形的影响。（4）路基弹性模量的增大可以同时降低新旧路基的水平位移和竖向沉降，对于控制新旧路基的水平变形和不均匀沉降效果显著。