程 桂 萍

(中國鐵建港航局集團有限公司，廣東 珠海 519070)

0 引言

在過去的幾十年中，隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的興起，我國的公路里程大幅度增加，截至2019年，中國的公路總里程已達484.65萬km。但是20世紀時期修建的高速公路，受到當時落后的施工技術(shù)等因素的限制，這些道路目前由于一些設(shè)計問題及各種道路病害從而導(dǎo)致其在今天的運輸能力越來越差，已經(jīng)不能滿足日益增長的車輛通行需求，因此，為實現(xiàn)交通運輸新的跨越式發(fā)展，我國接下來面臨的公路改擴建工程會越來越多。在進行舊路改造的工程中，由于長年的固結(jié)變形，舊路路基的沉降早已完成，除非發(fā)生外界因素否則幾乎不會再發(fā)生變形。而在換填舊路后，由于新路基的固結(jié)會產(chǎn)生新的沉降，會導(dǎo)致新舊路基表面產(chǎn)生不均勻的沉降變形，當變形超出一定范圍時，會導(dǎo)致新舊路基的表面產(chǎn)生縱向裂縫，進而影響道路的正常使用功能[1,2]。根據(jù)國內(nèi)外已有的工程實踐經(jīng)驗，由于新舊路基換填差異沉降從而導(dǎo)致的路基路面變形和開裂的現(xiàn)象十分常見，因此，新舊路基的差異沉降的處理成為公路改擴建工程中一個非常重要的問題[3-6]。

針對軟土地區(qū)路基擴改，國內(nèi)外雖有一定的研究，但由于大部分研究仍然將該路基擴改簡化成簡單兩種堆積體進行研究，未考慮邊界面、時間效應(yīng)和多重附加荷載的影響。因此，本文考慮新舊路基換填后通過碾壓達到設(shè)計標高時，新舊路基的沉降變形、相互作用，通過離散元軟件對新舊路基的協(xié)同工作性能進行研究，為軟土地區(qū)公路拓寬改造方案及處治對策提供依據(jù)。

1 工程實例

1.1 工程概況

本工程為S356一級公路橫溝鎮(zhèn)白毛村至橫溝鎮(zhèn)楊畈村段項目土建工程施工第01標段，位于湖北省咸寧市咸安區(qū)橫溝鎮(zhèn)內(nèi)，公路等級為一級公路，路基主要為整體式路基，整體式路基寬度20 m，其中部分路基分離，分離式路基寬度19.50 m，公路線全長5.6 km。主要工程量有路基挖土方約73 640.2 m3；路基填筑利用土方約46 136.2 m3，利用石方(開山毛渣)約20 069.6 m3；路基水穩(wěn)層約2.55萬m3；路面瀝青層約1.55萬m3；排水工程約5 597.7 m；橋涵共7道，圓管涵5道、倒虹管2道；綠化工程4 461 m2；安全防護工程10 705.2 m；本標段同時包含K0+000～K3+200范圍內(nèi)的路面瀝青加輔工程施工。

1.2 工程地質(zhì)條件

本工程所在區(qū)域地處鄂南幕阜山和長江之間的過渡帶，屬侵蝕剝蝕壟崗地貌，區(qū)內(nèi)海拔約19 m～56 m，地勢低緩，溝谷切割較淺，切割深度在10 m～40 m之間，相對高差不大，斜坡坡角多50～150，局部可達100～200；水塘溝渠較多，房屋建筑較少，多為2層～3層高的民房，周邊植物茂密，多為雜木、竹林、苗圃和茶園。沿線基巖一般埋藏較淺，局部直接裸露，風化嚴重，多為殘積物掩蓋；谷底有較厚的洪積物、坡積物或沖積物，局部分布有薄層淤泥等；在邊緣帶常有結(jié)構(gòu)松散的新近堆積物。沿路線的地層為第三系～白堊系的砂巖、礫巖，并覆蓋第四系的粉質(zhì)黏土或含碎石粉質(zhì)黏土，厚度約為0.5 m～3 m，在此之下大部分為全風化砂巖和礫巖，局部有少許頁巖出露。

1.3 水文地質(zhì)條件

本工程區(qū)氣候溫和，降水充沛，日照充足，四季分明，無霜期長。區(qū)內(nèi)地下水補給來源有大氣降水的下滲，溝渠、溪溝及灌溉入滲補給。松散巖類孔隙水主要接受大氣降水補給；基巖裂隙水則接受大氣降水及上部地層松散巖類孔隙潛水的下滲補給。上層滯水主要賦存于填土層，孔隙潛水賦存于第四系地層，主要受大氣降水補給，水量季節(jié)性變化明顯，一般較貧乏，勘察期間測得地下水埋深0.5 m～1.6 m。地下水徑流及排泄與臨近的水網(wǎng)有互為補給和排泄關(guān)系，季節(jié)性明顯。表層毛細水、薄膜水蒸發(fā)是其主要的排泄形式，徑流量很小。

綜上所述，勘察區(qū)水文地質(zhì)條件比較簡單。地下水與溝塘、溪溝等地表水體具有較強的互補性，豐水期地下水上升，補給周圍的地表水體，枯水期則反之，對混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋具有輕微的腐蝕性。

2 數(shù)值模擬

本文用顆粒流軟件對新舊路基替換變形過程進行數(shù)值模擬，對新舊路基的替換過程及碾壓之后路基沉降進行數(shù)值分析。

2.1 模型建立

為了研究新舊路基替換過程中路基內(nèi)部變形規(guī)律，做出如下顆粒流模型假定：1)采用二維數(shù)值模型來模擬軸對稱新舊路基替換過程。2)顆粒間的接觸模型是平行黏結(jié)模型，而墊層采用線性模型，二維顆粒為圓形。3)在新舊路基替換之后的路面碾壓過程中，模型不考慮顆粒破碎的情況。4)模型中的顆粒均為各向同性的均質(zhì)材料，采用“墻”作為模型中的剛性邊界。5)模型采用給定的初始空隙率均勻生成最大、最小粒徑之間的顆粒。本文模型設(shè)計尺寸為長為20.0 m，高為5.33 m。新舊路基共分為4層：瀝青：厚度0.1 m，重度12 kN/m3;混凝土：厚度1.24 m，重度24 kN/m3；墊層：厚度1.33 m，重度18.8 kN/m3；基層：厚度2.66 m，重度18.2 kN/m3。采用臺階式替換原有開裂的路基層。

新舊路基的參數(shù)的選取如下：顆粒最大粒徑為200 mm；顆粒最小粒徑為20 mm；摩擦系數(shù)為0.5；顆粒之間的法向剛度為8.5 MN/m，且顆粒法向剛度與切向剛度的比值為1.0。建立新舊路基替換顆粒流模型，如圖1所示，固定左右墻體，即墻體的運動速度為零，為了更好地模擬新舊路基替換的過程，采用fish語言進行伺服系統(tǒng)來讓模型達到理想的模擬狀態(tài)。

顆粒流模擬過程分析：1)進行重力平衡，進行土體固結(jié)；2)進行伺服系統(tǒng)，達到理想狀態(tài)；3)施加荷載達到指定標高，獲得路基內(nèi)部規(guī)律；4)進行新舊路基替換；5)重新施加荷載，達到設(shè)計標高；6)提取相關(guān)結(jié)果，進行新舊路基替換結(jié)果分析。

2.2 模型結(jié)果分析

為了研究新舊路基替換過程中路基中部變化規(guī)律，需要在顆粒流模型中設(shè)置測量圓來獲得顆粒之間的運動趨勢、接觸力、孔隙率、配位數(shù)、顆粒位移場以及應(yīng)力場的變化規(guī)律，如圖2所示。

為了更好地了解新舊路基換填的內(nèi)部顆粒變化規(guī)律，通過模型中的三個測量圓測得未換填與換填之后的孔隙率、配位數(shù)、位移場以及應(yīng)力場的變化指標。

新舊路基換填的顆?？紫堵嗜鐖D3所示，隨著達到設(shè)計標高的過程中，路基內(nèi)部孔隙率變得越來越小。初始狀態(tài)下，換填后路基的孔隙率比未換填路基的孔隙率要小，路基邊坡的孔隙率相比較而言大，表明換填后路基達到設(shè)計標高時孔隙率更低，更加緊實。

配位數(shù)是評價顆粒流分析中顆粒體系接觸良好的指標，配位數(shù)的值越大，說明顆粒接觸越好。由圖4可知，越靠近路基中心，顆粒的配位數(shù)越大，換填后路基的配位數(shù)比未換填路基的配位數(shù)大，說明換填后路基顆粒之間接觸更加充分。同時，路基邊坡區(qū)的配位數(shù)相對而言較小。

通過在路基內(nèi)部設(shè)置三個測量球來探究新舊路基換填過程中顆粒沉降規(guī)律，測量球的位置分別距離路面為4.0 m,2.0 m以及0.5 m。圖5為三個測量球在新舊路基換填的沉降圖，由圖5可知，在達到設(shè)計標高時，新舊路基換填的沉降基本上相等，在靠近路面的沉降速度基本一致，但靠近路面4.0 m的沉降速度出現(xiàn)差別，換填后路基的沉降速度由小變大，未換填路基的沉降速度由大變小。

圖6為新舊路基換填的模型內(nèi)部應(yīng)力圖，由圖6可知，在路面達到設(shè)計標高時，未換填路基的應(yīng)力在靠近路基中心的應(yīng)力偏大，而靠近路基邊坡的換填后路基的應(yīng)力偏大，這說明換填后填土對路基邊坡壓力過大。

3 結(jié)語

本文利用顆粒流數(shù)值軟件對新舊路基換填過程中進行沉降變形規(guī)律研究。結(jié)論如下：

1)達到設(shè)計標高時，換填后路基的孔隙率比未換填路基的孔隙率低，可以得出換填后路基的顆粒壓密效果越好。

2)換填后路基的配位數(shù)比未換填路基的配位數(shù)大，換填后路基更加密實。

3)新舊路基換填達到設(shè)計標高時最終沉降基本一致，但是遠離路面的沉降速度由快到慢。

4)靠近路基中心，換填后路基的應(yīng)力比未換填路基應(yīng)力小，而在路基邊坡?lián)Q填后路基的應(yīng)力大。