劉源浩 ，胡仲春 ，任高峰*，張聰瑞 ，炊金強(qiáng)

1.武漢理工大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430070；2.中鐵十四局集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250014

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，交通發(fā)展隨之加速，越來越多的鐵路線因運(yùn)輸需求擴(kuò)能從而帶來鐵路既有線單線改復(fù)線，在該類工程中必然涉及路基的幫寬施工。在路基幫寬工程中，幫填地段新幫填部分與原路基接觸面為坡面，在動(dòng)靜荷載作用下粒料極易失穩(wěn)，并沿坡面發(fā)生滑移。由于既有路基在經(jīng)歷長時(shí)間的通車后已被壓實(shí)，沉降趨于穩(wěn)定，而新填路基沉降尚未穩(wěn)定，形成的新邊坡尚未固結(jié)，所以新填路基易向外滑移，從而與舊路基形成縱向裂縫，在動(dòng)靜載荷、重力及雨水沖刷作用下，裂縫可能擴(kuò)張，從而造成通車隱患。所以，研究路基幫寬施工力學(xué)響應(yīng)及差異沉降已引起很多國內(nèi)外研究人員的關(guān)注。

針對(duì)這個(gè)問題，前人的研究主要集中在兩方面。一方面是針對(duì)各類幫寬施工時(shí)以優(yōu)化幫寬施工工藝以達(dá)到改善施工質(zhì)量的研究［1-5］，例如徐紅艷［1］結(jié)合實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了幫寬施工工藝，并提出類似工程應(yīng)加強(qiáng)通過土工對(duì)比實(shí)驗(yàn)和壓實(shí)工藝性試驗(yàn)，準(zhǔn)確掌握填筑技術(shù)參數(shù)，嚴(yán)格規(guī)范施工行為，以保障施工質(zhì)量；邵明霞［3］提出采用土工格柵處理新老路基結(jié)合部的方法；國外這方面研究較早，Allersma等［6］專門研究了軟土地基上既有線路基幫寬施工過程中地基土的變形特性；Ellis等［7］分析了不同的幫寬方式，即單側(cè)幫寬和雙側(cè)幫寬下地基的變形特征。另一方面，不少學(xué)者研究了幫寬路堤的沉降變形機(jī)理及不同工況的路堤沉降的計(jì)算方法［8-9］，特別是近年來利用各種有限元軟件對(duì)幫寬施工的模擬分析［10-12］。Ludlow等［10］研究了軟弱地基上路堤的變形特性，在研究過程中采用彈塑性模型來對(duì)路基進(jìn)行模擬，其研究結(jié)果表明影響新舊路基不均勻沉降的主要原因是超固結(jié)比和不排水剪切強(qiáng)度；蔣鑫等［11］對(duì)既有線路基幫寬進(jìn)行了三維彈塑性有限元數(shù)值分析，著重研究了結(jié)合部位的沉降變形和應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，分析了各種幫寬條件對(duì)路基變形的影響。為研究既有線路基幫寬施工的形變響應(yīng)及對(duì)現(xiàn)有施工方案的優(yōu)化，以濟(jì)南邯濟(jì)至膠濟(jì)聯(lián)絡(luò)線擴(kuò)建工程某一典型路段為研究對(duì)象，借助有限元數(shù)值模擬軟件，分析其在分級(jí)填筑時(shí)的形變并得到合理開挖填筑方案。

1 幫寬路堤破壞形式及破壞機(jī)理

1.1 幫寬路基沉降形式

既有線路基幫寬工程的破壞主要表現(xiàn)為失穩(wěn)和不均勻沉降兩種現(xiàn)象，具體包含以下幾種破壞形式：

1）路堤破壞。新舊路基之間結(jié)合部位會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降以及新幫寬路堤工后橫向變形較大，這些會(huì)導(dǎo)致新舊路堤之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，當(dāng)新幫寬路堤滑移量較大時(shí)，新幫寬路堤會(huì)發(fā)生整體坍塌，致使新幫寬路堤整體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。這種破壞現(xiàn)象在高填方路堤幫寬路段和軟弱地基較為常見。當(dāng)新舊路堤相對(duì)滑動(dòng)量較小時(shí)，在新舊路堤之間將有錯(cuò)臺(tái)出現(xiàn)，錯(cuò)臺(tái)反映在路面上就是裂縫的出現(xiàn)。當(dāng)雨水沿裂縫流入路基內(nèi)部，會(huì)大大降低新舊路堤結(jié)合，進(jìn)而影響整個(gè)路堤的穩(wěn)定性，從而使新加幫路堤發(fā)生整體塌陷。

2）路面損壞。在既有線路基幫寬工程中，新舊路堤結(jié)合部位產(chǎn)生的不均勻沉降引起的破壞主要表現(xiàn)為部分路面下陷和路面集中碎裂區(qū)等。既有線路基幫寬施工中有臺(tái)階開挖巖土卸載和新幫寬路堤填筑加載這兩個(gè)使路基應(yīng)力和應(yīng)變發(fā)生變化的過程，這兩次應(yīng)力和應(yīng)變的變化是路面局部塌陷的主要原因，卸載與填筑加載兩次變形相互疊加，就會(huì)使新舊路基分別產(chǎn)生不同的變形，這種差異變形直接破壞就是損壞路面結(jié)構(gòu)。

3）路面整體性能下降。路面不均勻沉降、橫向變形的不斷發(fā)展，將極大破壞道路物理力學(xué)結(jié)構(gòu)，降低道路的運(yùn)輸服務(wù)能力。另外會(huì)降低路面結(jié)構(gòu)的承載力和增大路面的破碎程度，對(duì)車輛正常通行產(chǎn)生危害。

1.2 幫寬路基破壞機(jī)理

導(dǎo)致既有線幫寬路堤產(chǎn)生病害的原因有很多，水文地質(zhì)條件也對(duì)幫寬路堤的病害產(chǎn)生有一定影響。既有線路基幫寬工程特性的主要影響因素與產(chǎn)生病害的主要因素大致相同，但影響最大的是新舊路基變形不協(xié)調(diào)和新舊路基之間的不良結(jié)合［13］。

1.2.1 新舊路基變形不協(xié)調(diào) 既有線路基幫寬擴(kuò)建工程中，舊路基已沉降完全，而新幫寬路基在分層填筑載荷作用下，會(huì)繼續(xù)沉降，另外新幫寬路基沉降時(shí)間較短，還會(huì)產(chǎn)生較大的工后沉降，這是導(dǎo)致新舊路基變形不協(xié)調(diào)的最主要因素。造成新舊路基變形不協(xié)調(diào)的因素有很多，如新舊路基密實(shí)度區(qū)別較大、路堤填料及壓實(shí)質(zhì)量較差、軟弱路基結(jié)合部位處理不徹底等［14］。

1.2.2 新舊路基之間的不良結(jié)合 引發(fā)新舊路堤之間的不良結(jié)合的因素有很多，最常見的引發(fā)因素為臺(tái)階尺寸不恰當(dāng)、舊路堤邊坡上層軟弱土層施工前期沒有進(jìn)行削坡清理等。因此，開挖臺(tái)階尺寸的選擇和舊路堤邊坡上層腐殖土的清理對(duì)新舊路堤的良好結(jié)合起著非常重要的作用。盡管有較為規(guī)范的臺(tái)階開挖尺寸要求，但隨著施工地形的多樣性，有的路段難以確定填挖交界面，新舊路基不容易結(jié)合為一體。大多設(shè)計(jì)和施工單位都會(huì)在新舊路堤交接部位設(shè)置土工格柵，但土工格柵的錨固長度、鋪設(shè)層位等并沒有相當(dāng)明確的規(guī)范，還處于經(jīng)驗(yàn)階段，這對(duì)施工者來說，保證既有線路基幫寬施工新舊路基的緊密結(jié)合非常困難。

1.2.3 新舊路基強(qiáng)度和剛度存在差異 由于新舊路修筑時(shí)間不同，取土地點(diǎn)不同，因此加寬路基填筑土與舊路基填筑土不可能完全相同。在舊路基路面自重及行車等荷載的作用下，舊路基己經(jīng)完全被壓實(shí)，而新路基的填料雖經(jīng)過嚴(yán)格壓實(shí)，仍有塑性累積變形的存在。同時(shí)，新舊路基采用的施工方法和工藝上也存在差異，鐵路等級(jí)及技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也有很大的差異，導(dǎo)致新舊路基強(qiáng)度和剛度不同，因此其抵抗變形的能力也不同。

1.3 削坡及臺(tái)階開挖的作用

早期美國Richard等［15］發(fā)現(xiàn)，不合適的臺(tái)階開挖會(huì)導(dǎo)致幫寬工程失敗。高等級(jí)公路加寬工程中，在新路堤填筑之前，一般舊路堤邊坡表層土比較松散，應(yīng)進(jìn)行必要的削坡，同時(shí)為使新舊路堤緊密銜接，削坡后應(yīng)進(jìn)行臺(tái)階開挖。削坡與臺(tái)階開挖一般具有以下作用：

1）由于舊路堤邊坡一定深度內(nèi)在表層植被和自然因素的長期作用下導(dǎo)致土的密實(shí)度不足，如不進(jìn)行處理會(huì)在新舊路堤間產(chǎn)生薄弱面，影響新舊路堤的整體性，清除后可有效提高銜接處的密實(shí)度。同時(shí)清除舊路堤邊坡一定深度內(nèi)的表層植被土或腐質(zhì)土，可以為路堤加寬結(jié)束后邊坡綠化所使用。

2）恰當(dāng)?shù)呐_(tái)階開挖，可以有效地避免舊路堤開挖后臺(tái)階處的坍塌。

3）舊路堤開挖有利于新加寬部分的地基處理，提高新加寬路堤下地基的強(qiáng)度和抵抗變形的能力，減少新填路堤的工后沉降。

4）有利于增加新舊路堤的接觸面積，增強(qiáng)新舊路堤結(jié)合部的摩阻力和抗剪能力，加強(qiáng)新舊路堤的結(jié)合，使之成為一體，從而保證新舊路堤之間的有效結(jié)合和整體性。

5）橫向臺(tái)階面為土工格柵的鋪設(shè)提供一個(gè)錨固區(qū)域，有利于土工格柵的鋪設(shè)和錨固，從而加強(qiáng)新舊路堤的有效結(jié)合。

2 數(shù)值計(jì)算

2.1 工程概況

選取邯濟(jì)至膠濟(jì)聯(lián)絡(luò)線擴(kuò)建工程某一典型施工路段，其處于蘇家莊框構(gòu)段，線路填方大部分地區(qū)通過沖積平原，地勢(shì)起伏較小，沿途多為耕地，整條線路的最大填高為6.55 m，邊坡最高為6.56 m，工程地質(zhì)見圖1。其中地層從下到上的地質(zhì)情況如表1所示。

圖1 橫斷面地質(zhì)圖（單位：m）Fig.1 Cross sectional geological map（unit：m）

表1 地層從下到上的地質(zhì)情況Tab.1 Geological conditions of strata from bottom to top

2.2 模型建立

2.2.1 計(jì)算基本假定 1）由于舊路堤長度足夠，可忽略路堤長度的影響，將既有線路基幫寬工程作為平面應(yīng)變問題進(jìn)行考慮，再應(yīng)用有限元法進(jìn)行分析處理；

2）新舊路基的本構(gòu)模型都可選用Druker-Prager模型；

3）路堤填筑土和地基土材料性質(zhì)都比較復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化模型以便于分析，可將它們看作彈塑性材料；

4）采用總應(yīng)力法的計(jì)算方法，選擇整個(gè)路基縱斷面來構(gòu)建幾何模型；

5）舊路基已經(jīng)通車多年，所以路基有初始應(yīng)力場(chǎng)和初始位移場(chǎng)，它們是由路基重力載荷和車輛載荷造成的；

6）考慮舊路基的初始狀態(tài)，采用分層逐級(jí)加載的方法對(duì)既有線路基幫寬施工過程進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.2.2 單元類型及計(jì)算參數(shù)的確定 由于路基有足夠長的距離，可忽略路基長度的影響，將既有線路基幫寬工程作為平面應(yīng)變問題來處理，再利用有限單元法進(jìn)行數(shù)值分析與計(jì)算。模擬分析選擇的是4結(jié)點(diǎn)或8結(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變實(shí)體單元。在對(duì)土工格柵進(jìn)行模擬時(shí)，將土工格柵看作二維桿單元來考慮，選擇桿單元中的T2D2單元來進(jìn)行模擬。由于土工格柵是一種抗拉能力很強(qiáng)的加筋材料，其所受拉力與其抗拉強(qiáng)度相比可以忽略，所以本構(gòu)模型選擇線彈性。

對(duì)于新、舊路基的填筑材料，新幫寬路基對(duì)填筑材料的要求較高，一般選擇強(qiáng)度較高、重量較輕、有良好穩(wěn)定性的填筑材料，而舊路基在路基自重及行車荷載的作用下，沉降已基本穩(wěn)定，因此新舊路基填筑材料物理力學(xué)性質(zhì)差異較大。路基斷面內(nèi)各種材料的計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 路基材料計(jì)算參數(shù)Tab.2 Calculation parameters of subgrade materials

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

新路堤在分層填筑過程中，新舊路基受到新路堤的分級(jí)載荷作用，計(jì)算分析得到新舊路基的水平位移和附加豎向位移分布如圖2所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出，在新幫寬路基作用下，其水平位移主要集中在新填路基坡腳處以及舊路基的路基面層。而幫寬路堤作用下的附加豎向位移主要集中在新舊路基結(jié)合部的底部，其最大沉降部分達(dá)到了20 cm以上，而舊路基基本不發(fā)生沉降。因此，在既有線幫填施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)坡腳處的處理，在新舊結(jié)合處的底部應(yīng)視情況增加土工格柵等加強(qiáng)該部分路基的強(qiáng)度。

圖2 新舊路基在新幫寬路基作用下位移等值線圖：（a）水平位移；（b）附加豎向位移Fig.2 Contour maps of previous and current subgrade under the action of new widening subgrade and side widening embankment：（a）Horizontal displacement；（b）Additional vertical displacement

2.4 舊路堤不同削坡和臺(tái)階開挖方案優(yōu)化

在既有線路基幫寬施工中，舊路堤邊坡表層土在植被及自然因素作用下，已變?yōu)闃O其松軟的腐殖土，力學(xué)性質(zhì)大大下降，所以在開挖臺(tái)階之前，要清除掉邊坡表面的軟弱土層。為研究不同削坡和臺(tái)階開挖方案對(duì)路基變形的影響，根據(jù)實(shí)際施工中的削坡與臺(tái)階開挖方案，選擇了以下5種特點(diǎn)鮮明、差異明顯又具有代表性的削坡及臺(tái)階開挖方案。各個(gè)方案的臺(tái)階尺寸如表3所示，各個(gè)臺(tái)階開挖方案示意圖如圖3所示。

表3 各個(gè)方案開挖臺(tái)階的尺寸Tab.3 Size of excavation steps for each scheme

圖3 舊路堤邊坡削坡及臺(tái)階開挖方案（單位：cm）（a）方案 1；（b）方案 2；（c）方案 3；（d）方案 4；（e）方案5Fig.3 Previous embankment slope cutting and bench excavation schemes（unit：cm）（a）Scheme 1；（b）Scheme 2；（c）Scheme 3；（d）Scheme 4；（e）Scheme 5

基于以上5種開挖施工方案，分別建立相應(yīng)的有限元分析模型，模擬分析后得到不同削坡及臺(tái)階開挖方案中舊路堤的變形云圖。圖4為5種削坡及臺(tái)階開挖方案計(jì)算分析后得到的橫向變形云圖與豎向變形云圖。

由圖4可知，在所選擇的5種削坡及臺(tái)階開挖方案中，卸載量越大，舊路堤坡腳及路肩下產(chǎn)生的側(cè)向位移越大，舊路堤上臺(tái)現(xiàn)象也越明顯。從圖4中可以看出，上臺(tái)現(xiàn)象較明顯的是方案1和方案4。方案2和方案3變形較為相似，這是因?yàn)樗鼈兊男遁d量差距不太懸殊，而方案5舊路基的橫向及豎向變形最不顯著，這是由于該方案沒有進(jìn)行臺(tái)階開挖，只進(jìn)行了削坡處理，其卸載量最小。從計(jì)算結(jié)果來看，減小施工前期削坡開挖量和施工過程中臺(tái)階開挖量，則可以減小舊路堤的豎向和橫向變形，舊路基相對(duì)穩(wěn)定。

圖4 臺(tái)階開挖后橫向變形圖（左）和豎向變形圖（右）（a）方案1；（b）方案2；（c）方案3；（d）方案4；（e）方案5Fig.4 Diagrams horizontal deformation （left）and vertical deformation（right）after stepped excavation（a）Scheme 1；（b）Scheme 2；（c）Scheme 3；（d）Scheme 4；（e）Scheme 5

針對(duì)上述5種施工方案，創(chuàng)建相對(duì)應(yīng)的新幫寬路堤填筑后的新的有限元模型，處理分析得到在新幫寬路堤荷載作用下新舊路堤整體的變形特性。圖5為5種削坡及臺(tái)階開挖方案新舊路堤整體在新幫寬路堤分級(jí)荷載作用下的橫向變形云圖和豎向變形云圖。

圖5 方案1～5路堤加寬后橫向變形云圖（左）豎向變形云圖（右）Fig.5 Nephograms ofhorizontal（left）and vertical deformation（right）after embankment widened by schemes 1 to 5

由圖5可知，在所選擇的5種施工方案中，加載量越大，新幫寬路堤的分層填筑使新舊路基整體產(chǎn)生的豎向變形與橫向變形越大。方案1中新路堤的填筑使新舊路堤整體產(chǎn)生的豎向變形與橫向變形影響最大；而方案2和方案3中新路堤填使新舊路堤產(chǎn)生的豎向變形和橫向變形相對(duì)較小，它們的變形色彩分布圖也較為相近；而方案5中新路堤填筑使新舊路堤整體產(chǎn)生的變形最小。當(dāng)考慮臺(tái)階開挖后舊路堤附加變形與新路堤填筑后舊路堤的附加變形疊加時(shí)，臺(tái)階開挖方案1對(duì)舊路堤的附加變形的影響最為明顯，其它4種方案對(duì)附加變形的影響則基本一致。

分析結(jié)果表明方案5中新路堤填筑使新舊路堤產(chǎn)生的變形最小，但這種開挖方案并未開挖臺(tái)階，在新舊路堤銜接處會(huì)產(chǎn)生一個(gè)薄弱的結(jié)構(gòu)面，新路堤會(huì)沿著這個(gè)結(jié)構(gòu)面下滑，另外該種方案對(duì)新舊路堤結(jié)合部位的碾壓不利。而臺(tái)階開挖方案2和方案3新路堤填筑對(duì)新舊路堤的附加變形影響較小，并且有比較合理的開挖臺(tái)階，所以比較合理的削坡與臺(tái)階開挖方案為：先將舊路邊坡上層腐殖土清理掉，清理土層厚約為30 cm，再在舊路邊坡上開挖臺(tái)階，臺(tái)階高度在80 cm～100 cm之間較為合理，寬度在100 cm～150 cm之間較為合理。

3 結(jié) 語

1）在新幫寬路基作用下，其水平位移主要集中在新填路基坡腳處以及舊路基的路基面層。而幫寬路堤作用下的附加豎向位移主要集中在新舊路基結(jié)合部的底部，而舊路基基本不發(fā)生沉降。因此，在既有線幫填施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)坡腳處的處理，在新舊結(jié)合處的底部應(yīng)視情況增加土工格柵等加強(qiáng)該部分路基的強(qiáng)度。

2）在新路堤填筑過程中，路堤荷載不斷增大，在分層加載量不變情況下，越靠近路堤上部，沉降值就越大。在既有線路基幫寬施工完成后，各填筑層在工后保護(hù)時(shí)期及運(yùn)營過程中還會(huì)繼續(xù)逐漸沉降直至達(dá)到一個(gè)平衡狀態(tài)。

3）在對(duì)既有線路進(jìn)行幫寬擴(kuò)建施工過程中，減少從舊路堤挖去的巖土量，可以有效減小舊路堤的縱向沉降和橫向位移，從而提高舊路基的穩(wěn)定性。同時(shí)減少新路堤水平分層填筑過程中每一級(jí)的加載量，可以有效減小新舊路堤豎向位移與側(cè)向位移。

4）經(jīng)比較得出，較合理的削坡與臺(tái)階開挖方案為：先將舊路邊坡上層腐殖土清理掉，清理土層厚約為30 cm，再在舊路邊坡上開挖臺(tái)階，臺(tái)階高度在80 cm～100 cm，寬度在100 cm～150 cm之間較為合理。

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