何小龍 （中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

1 引 言

隨著我國城市化水平不斷提升，舊有市政道路越來越難以滿足日常需求，使得許多市政道路急需改擴(kuò)建，目前已有不少學(xué)者做了相關(guān)研究。黃琴龍等[1]通過足尺試驗(yàn)與有限元軟件模擬的方法，分析了道路經(jīng)過改擴(kuò)建后的新路基與舊有路基的差異變形對道路結(jié)構(gòu)的影響；付海峰等[2]通過數(shù)值模擬的方法，分析了加樁對改擴(kuò)建后軟土地基的沉降改善作用，并將模擬分析結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，為工程實(shí)踐提供了寶貴資料；翁效林等[3]使用土工離心機(jī)模型試驗(yàn)，對改擴(kuò)建后的新建路基與舊有路基的差異沉降進(jìn)行了分析，得出了其差異沉降的影響因素，并給出了改善建議；楊廣慶等[4]通過數(shù)值分析方法，研究了不同加寬方式對改擴(kuò)建工程后的地基位移與路基沉降的影響，并得到了特征規(guī)律，為工程實(shí)踐提供了參考；沈立森等[5]通過使用有限元方法，分析了改擴(kuò)建前后的地基表面附加位移的變化規(guī)律，并對土工格柵加筋的技術(shù)進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了該技術(shù)的工程實(shí)用性；鄧衛(wèi)東等[6]采用簡化畢肖普法，對多種工況進(jìn)行了分析，得到了不同等級的道路在各種工況下的路基穩(wěn)定性安全系數(shù)；劉光明[7]通過對國內(nèi)外的實(shí)際工程案例進(jìn)行分析，對軟土地基上市政道路改擴(kuò)建后新建路基與舊有路基差異沉降成因進(jìn)行總結(jié)，并提出了防治措施；傅珍等[8]通過有限元方法建立了計(jì)算模型，對改擴(kuò)建工程后的路基差異沉降特性進(jìn)行了分析，并總結(jié)得到了其影響因素以及影響規(guī)律；王家全等[9]結(jié)合實(shí)際道路改擴(kuò)建工程，通過使用現(xiàn)場試驗(yàn)與數(shù)值模擬方法相結(jié)合，分析了改擴(kuò)建工程后的路基位移及應(yīng)力變化規(guī)律。

鑒于此，本文通過使用有限元軟件對市政道路改擴(kuò)建工程路基的穩(wěn)定性影響因素、影響規(guī)律和控制技術(shù)進(jìn)行了分析。

2 工程概況

本文針對湖北省某市政道路改建工程進(jìn)行研究，該工程項(xiàng)目地處丘陵地帶，地形較復(fù)雜，且工程項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)水系復(fù)雜，地下水系發(fā)達(dá)，表面徑流受降水影響較大。本次改建將對舊有道路進(jìn)行路基加寬，形式包括單側(cè)加寬、雙側(cè)加寬與新建等形式。根據(jù)地勘資料，該市政道路改建工程所在地區(qū)的土體參數(shù)如表1所示。

土體參數(shù)表 表1

3 三維有限元模型

本文使用有限元軟件建立了路基穩(wěn)定性研究的有關(guān)模型。為了簡化計(jì)算，將道路簡化為二維模型。根據(jù)其對稱性，本研究選取右側(cè)路基進(jìn)行建模分析，為了排除邊界效應(yīng)，模型寬度方向設(shè)置為80m，深度方向設(shè)置為50m，模型共計(jì)單元數(shù)8578個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)19772個(gè)，左右兩側(cè)及底部邊界設(shè)置為固定邊界，上側(cè)邊界設(shè)置為自由邊界，模型示意圖見圖1。

圖1 模型示意圖

4 路基穩(wěn)定性影響因素分析

本文根據(jù)實(shí)際工程，選取了包括路基坡率、路基加寬寬度和路基填筑高度在內(nèi)的三個(gè)因素進(jìn)行模擬，分析其對路基穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

4.1 路基坡率對路基穩(wěn)定性的影響

根據(jù)工程實(shí)際，選取了典型斷面作為模型的簡化原型，簡化后的路基模型寬14 m，填高8m，并設(shè)置1:0.5、1:1.0、1:1.5與1:2.0四組坡率進(jìn)行對照分析。路基坡率對路基各工程性質(zhì)的影響規(guī)律見圖2。

圖2 不同坡率路基土體工程特性變化規(guī)律

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，整體上，隨著路基坡角的放緩，邊坡的安全系數(shù)逐漸增大。雖然坡率由1:0.5放緩至1:1.5時(shí)，邊坡各個(gè)方向的位移均隨著路基坡角的放緩而增大，但邊坡的安全系數(shù)得到了較大提升。而當(dāng)坡率放緩至1:2時(shí)，各個(gè)方向的位移均大幅度降低，且穩(wěn)定性安全系數(shù)達(dá)到最大。

4.2 加寬寬度對路基穩(wěn)定性的影響

根據(jù)工程實(shí)際，本節(jié)同樣選取了典型斷面作為模型的簡化原型。簡化后的路基模型，舊有道路路基寬度取14m，高度取8m，坡率取1:1.5，并設(shè)置單側(cè)加寬寬度6m、8m、10m和12m4組加寬寬度進(jìn)行對照分析。路基加寬寬度對路基各工程性質(zhì)的影響規(guī)律見圖3。

圖3 不同加寬寬度路基土體工程特性變形規(guī)律

由圖3（a）、（b）可以發(fā)現(xiàn)，舊有道路在改擴(kuò)建后，道路中心受到施工過程中的側(cè)向擠壓，在路基頂面出現(xiàn)了隆起，且路基頂面的最大差異沉降與路基加寬寬度成正相關(guān)，當(dāng)路基單側(cè)加寬寬度為6m時(shí)，最大差異沉降量為6.1cm；單側(cè)加寬寬度為8m時(shí)，最大差異沉降量為8.3cm，是加寬6m時(shí)的1.36倍；單側(cè)加寬寬度為10m時(shí)，最大差異沉降量為10.2cm，是加寬6m時(shí)的1.67倍；單側(cè)加寬寬度為12m時(shí)，最大差異沉降量為11.7cm，是加寬6m時(shí)的1.92倍。

由圖3（c）可以發(fā)現(xiàn)，舊有道路中心附近的地基由于受到施工過程中的側(cè)向擠壓也出現(xiàn)了隆起現(xiàn)象，且隨著路基寬度的增加，路基下地基的最大沉降也隨之增加。當(dāng)路基單側(cè)加寬寬度為6m時(shí)，新建道路路基的最大沉降量為5.5cm，是路肩處沉降值的0.89倍；單側(cè)加寬寬度為8m時(shí)，新建道路路基的最大沉降量為7.1cm，是路肩處沉降值的0.85倍；單側(cè)加寬寬度為10m時(shí)，新建道路路基的最大沉降量為8.6cm，是路肩處沉降值的0.85倍；單側(cè)加寬寬度為12m時(shí)，新建道路路基的最大沉降量為9.7cm，是路肩處沉降值的0.83倍。因此，可以發(fā)現(xiàn)地基沉降是引起路基沉降的主要原因之一。

由圖3（d）、（e）和（f）可以發(fā)現(xiàn)，路基表面的水平位移分布形式呈“勺子”狀，且位移值隨著路基加寬寬度增加而增加；而地基表面的水平位移分布形式呈“～”狀。路基坡角處的水平位移值隨著路基單側(cè)加寬寬度增加而增加，而路肩處則不同，當(dāng)單側(cè)加寬寬度從6m增加到8m時(shí)，隨著路基單側(cè)加寬寬度增加而增加，但隨著單側(cè)加寬寬度由8m增加到12m時(shí)，路肩處水平位移隨之減小。

5 結(jié) 論

本文采用有限元軟件對道路改擴(kuò)建問題進(jìn)行了有限元分析，得到了以下結(jié)論：

①隨著路基坡角的放緩，邊坡的安全系數(shù)逐漸增大，實(shí)際工程中可以通過將坡角放緩來提高邊坡穩(wěn)定性，且需要做好排水措施；

②改擴(kuò)建工程路基的位移變形受路基加寬寬度與填筑高度影響較大，實(shí)際工程中可以通過控制路基加寬寬度來改善路基邊坡的穩(wěn)定性；

③地基沉降是引起路基沉降的主要原因之一，在實(shí)際工程中，可以通過加固地基來有效控制路基沉降。