潘 瑞，王 俊

（中國(guó)市政工程西南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，四川 成都550081）

0 引 言

在公路項(xiàng)目建設(shè)初期，由于交通規(guī)劃、設(shè)計(jì)理念、施工機(jī)械及技術(shù)水平等因素局限，使得很多原先建成的公路通行能力已經(jīng)難以適應(yīng)當(dāng)?shù)亟煌òl(fā)展的需求，影響了沿線經(jīng)濟(jì)和行車(chē)舒適度，甚至可能導(dǎo)致交通事故頻發(fā)。由于新建公路工程占地面積大、資金耗費(fèi)多，選擇經(jīng)濟(jì)、合理、可行的改擴(kuò)建方案，并確保路基的工后差異性沉降滿(mǎn)足規(guī)范要求，已經(jīng)成為工程技術(shù)人員要解決的重要問(wèn)題。

經(jīng)過(guò)多年工程實(shí)踐，國(guó)內(nèi)外學(xué)者及工程技術(shù)人員針對(duì)新老路基的差異沉降開(kāi)展了一些研究，如鄭勇[1]依托湖南省蓮花沖至株洲公路工程，利用軟件FLAC3D分析了土工格室在處治新老路基差異沉降的應(yīng)用成果；陳志寶[2]以某二級(jí)公路雙側(cè)拼寬工程為研究對(duì)象，研究了路基填料的壓縮模量、抗剪強(qiáng)度參數(shù)等因素對(duì)新老路基不均勻沉降的影響規(guī)律；賈寶新[3]利用土工離心模型試驗(yàn)，分析了CFG樁對(duì)新老路基不均勻沉降的控制效果。但是，很多設(shè)計(jì)人員在開(kāi)展公路改擴(kuò)建任務(wù)時(shí)，對(duì)新老路基差異沉降規(guī)律并不重視，過(guò)分追求高指標(biāo)，設(shè)計(jì)方案保守，從而導(dǎo)致工程規(guī)模過(guò)大、費(fèi)用過(guò)高等問(wèn)題。故分析公路改擴(kuò)建路基差異沉降特性具有重要的工程意義。

1 公路路基差異沉降機(jī)理分析

1.1 路基差異沉降計(jì)算理論

在公路改擴(kuò)建項(xiàng)目中，新老路基之間的沉降差來(lái)自老路基、新路基及其下地基土在外部荷載、自身重力等作用下的壓縮和固結(jié)沉降（瞬時(shí)沉降、主固結(jié)沉降及次固結(jié)沉降）。其中，主固結(jié)作用在路基的工后沉降中起主導(dǎo)作用[4]。路基的工后沉降S計(jì)算方法如下：

式中：m為為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與荷載大小、土質(zhì)等有關(guān)；Sc為主固結(jié)沉降；ΔP為第i層中點(diǎn)應(yīng)力；Esi第i層壓縮模量；Δhi為第i層厚度。

計(jì)算新老路基之間的不均勻沉降可以將荷載劃分成三部分，即一個(gè)矩形荷載分布區(qū)（Ⅲ區(qū)）和兩個(gè)三角形荷載分布區(qū)（Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)），求出三部分荷載之和，則可計(jì)算出地基深度Z處應(yīng)力大小。加寬路基荷載分布劃分方式同上[5]，如圖1所示。

圖1 新老路基荷載分布區(qū)域劃分圖

1.2 新老路基差異沉降原因分類(lèi)

在公路改擴(kuò)建項(xiàng)目中，新老路基結(jié)合位置出現(xiàn)不均勻沉降的原因?yàn)閇6]：第一，受填料最佳含水量、施工條件、施工技術(shù)等因素的限制，加寬路基的土體壓實(shí)不足，使得新老路基之間的壓實(shí)度相差較大。第二，新老路基之間變形不協(xié)調(diào)，使得原地基土在公路拓寬前已經(jīng)基本固結(jié)完成，彈性模量小，變形?。煌瑫r(shí)，隨著上部荷載的增加而變大，新路基下地基土壓縮性大，沉降量及變形速率也較快。第三，新老路基結(jié)合位置施工難度大，存在壓實(shí)度小、開(kāi)挖臺(tái)階尺寸不符合設(shè)計(jì)要求或采取的處治措施不合理等問(wèn)題。

2 公路拓寬差異沉降計(jì)算模型建立

2.1 工程概況

以某一級(jí)公路改擴(kuò)建項(xiàng)目K6+180橫斷面為實(shí)例，利用ANSYS15.0來(lái)探討新老路基的不均勻沉降變形。該斷面老路基寬度是26 m，采用兩側(cè)加寬的方案進(jìn)行改建，每側(cè)拓寬8 m，加寬后整個(gè)路基橫斷面寬度為42 m，路基的平均填方高度為8 m，邊坡的坡率為1∶1.5。計(jì)算寬度取3倍的路基底部寬度，計(jì)算深度取地基下30 m，具體尺寸如圖2所示。

圖2 新老路基差異沉降計(jì)算模型（單位：m）

2.2 計(jì)算參數(shù)確定

2.2.1 屈服準(zhǔn)則選取

土體屈服準(zhǔn)則是指土體在荷載作用下的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系。路基和地基土體的沉降變形不僅受到外部荷載的作用，靜水壓力和土體之間的側(cè)向力也會(huì)對(duì)其沉降產(chǎn)生一定程度的影響。同時(shí)，路基和地基土體的抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，故選擇有限元軟件ANSYS內(nèi)置的D—P屈服準(zhǔn)則來(lái)模擬土體的變形[7]。D—P屈服準(zhǔn)則的計(jì)算公式為：

式中：t為偏應(yīng)力；β為應(yīng)力曲線傾角；d為屈服面的截距。

2.2.2 單元類(lèi)型和邊界條件

公路路基可視為無(wú)限長(zhǎng)帶狀物，其沉降變形分析屬于平面應(yīng)變問(wèn)題，可采用Solid45單元來(lái)模擬路基土體。公路加寬后對(duì)地基底部的X、Y、Z方向全部約束，地基兩側(cè)只約束X方向，路基邊坡約束Z方向，路面車(chē)輛荷載通過(guò)在路基頂部加載1m的土柱來(lái)模擬。

2.2.3 路基填料參數(shù)

該一級(jí)公路所在地理位置以粉質(zhì)黏土為主，根據(jù)巖土勘察報(bào)告可知K6+180路基橫斷面土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所列。

表1 路基土體物理力學(xué)參數(shù)表

3 公路拓寬差異沉降變化趨勢(shì)及影響因素分析

在建模、劃分網(wǎng)格、確定設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)置邊界條件等工作完成之后，分析了路基加寬后新老路基的沉降（豎向位移和水平位移）變化規(guī)律，并分析了加寬高度、填料重度對(duì)拓寬路基不均勻沉降的影響規(guī)律。

3.1 新老路基差異沉降特性

有限元軟件ANSYS計(jì)算出路基加寬后，路基的豎向位移和水平位移變化云圖如圖3所示。

圖3 新老路基沉降變形云圖

計(jì)算結(jié)果表明，路基加寬后，路基豎向位移是中間小兩邊大，呈“凸”形變化。老路基的中心位置變形最小，且距離路基中心線距離越遠(yuǎn)，沉降變形越明顯。新路基的最大豎向位移在土路肩的邊緣，從土路肩向路基邊坡坡腳方向的三分之二范圍內(nèi)的豎向位移較大，路基邊坡坡腳處豎向位移較?。宦坊訉捄?，路基水平位移最大值出現(xiàn)在新老路基結(jié)合位置，且新路基坡腳下一定深度范圍內(nèi)的地基土也出現(xiàn)了較大的水平位移。無(wú)論是豎向位移還是水平位移，新路基的變形都遠(yuǎn)大于老路基的變形。

3.2 新老路基差異沉降的影響因素

3.2.1 加寬高度

由于公路沿線地形的限制，路基在加寬時(shí)填土高度并不完全相同，會(huì)導(dǎo)致新老路基的附加荷載有變化。在拼寬方式、屈服準(zhǔn)則、材料物理力學(xué)參數(shù)等不變的條件下，選擇填土高度分別是2 m、4 m、6 m、8 m、10 m、12 m，得到不同加寬高度下路基頂面的沉降變形見(jiàn)圖4所示。

圖4 不同加寬高度下路基沉降變形曲線圖

由圖4可知：由于路基加寬高度的增加，作用在新老路基上的附加荷載也隨之提高。在不同填土高度下，路基最大沉降點(diǎn)均大致位于拓寬路基路肩處。隨著加寬高度的增加，路基各點(diǎn)沉降量也不斷增加。當(dāng)填土高度小于8 m時(shí)，路基沉降變形速率較緩；當(dāng)填土高度超過(guò)8 m時(shí)，路基沉降變形與距老路中心線的距離基本呈線形增長(zhǎng)。同時(shí)，在不同加寬高度下，新老路基的差異沉降見(jiàn)表2所列。隨著路基加寬高度的增加，新老路基的差異沉降也不斷增加，但增加速率不斷減小。路基加寬高度從2 m至12 m，新老路基的差異沉降增加了129.3%，即填土高度每增加2 m，新老路基差異沉降平均增加25.8%。

表2 不同加寬高度下新老路基差異沉降一覽表

3.2.2 新路基填料重度

早期的公路工程建設(shè)，一般直接是用土填筑。隨著路用材料的發(fā)展和施工技術(shù)的提高，越來(lái)越多的新型路基填料（如EPS、FCB等）被用到公路改擴(kuò)建項(xiàng)目中，不同填料的重度相差可能較大，對(duì)路基變形的影響也有差異。選擇加寬填料重度分別為5 kN/m3、10 kN/m3、15 kN/m3、20 kN/m3，得到不同填料重度下路基頂面和地基頂面的沉降變形如圖5所示。

圖5 不同填料重度下路基和地基沉降變形曲線圖

由圖5（a）可知，在距老路中心線的距離相同的條件下，隨著新路基填料重度的增加，路基各點(diǎn)沉降量也不斷增加。在不同路基填料重度下，路基的最大沉降點(diǎn)均大致位于新路基的路肩處。當(dāng)在距老路中心線的距離小于2 m時(shí)，各填料重度下路基沉降值基本保持不變；當(dāng)在距老路中心線的距離大于4 m時(shí)，路基頂面沉降值隨著距老路中心線的距離增加而增加。由圖5（b）可知，在路基填料重度下，地基頂面的最大沉降點(diǎn)出現(xiàn)在新路基邊坡的坡腳處。同時(shí)，當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)距老路中心線的距離大于40 m時(shí)，地基頂面沉降基本不受填料重度的影響。在不同路基填料重度下，新老路基的差異沉降見(jiàn)表3所列：隨著填料重度的增加，新老路基差異沉降不斷增加，且二者之間基本呈線形正相關(guān)。路基填料重度從5 kN/m3至20 kN/m3，新老路基的差異沉降增加了317.4%，即填料重度每增加5 kN/m3，新老路基差異沉降平均增加79.4%。

表3 不同填料重度下新老路基差異沉降一覽表

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）公路新老路基間差異沉降差源于老路基、加寬路基及地基土在外部荷載、自身重力作用下產(chǎn)生地壓縮和固結(jié)。

（2）公路路基拓寬后，路基沉降變形基本呈中間小兩邊大的“凸”形變化趨勢(shì)，同時(shí)路基的最大豎向位移在土路肩的邊緣，從土路肩向路基邊坡坡腳方向的三分之二范圍內(nèi)的豎向位移較大，路基水平位移最大值出現(xiàn)在新老路基結(jié)合位置。

（3）路基頂面沉降量和新老路基的差異沉降隨著路基加寬高度的增加而增加，且加寬高度超過(guò)8 m時(shí)，路基沉降與距老路中心線的距離基本呈線形增長(zhǎng)。

（4）在不同路基填料重度下，路基最大沉降點(diǎn)位于新路基的路肩處，且隨著填料重度的增加，新老路基差異沉降不斷增加。