王都興

（西安市政設(shè)計研究院有限公司，陜西西安 710068）

0 引言

隨著道路運輸業(yè)的不斷發(fā)展，對道路的擴寬建設(shè)工程不斷增多。因此，對道路路基擴建的研究也越來越多。例如蔣鑫等人[1]為了研究軟土地基高速公路在擴寬后的變形變化，采用數(shù)值模擬的方法分析了一次性建成的路基、分層填筑所引起的地基沉降變形、路基表面沉降變形以及側(cè)向位移變形的規(guī)律，為同類工程提供了參考借鑒；許利東等人[2]對改擴建的路基沉降變形規(guī)律及其內(nèi)部應(yīng)力的分布進行了分析，采用有限差分FLAC3D 數(shù)值軟件以西南某高速公路為研究對象，證實了擴建工程的路基沉降變形規(guī)律不同于新建工程，特別是在淺層路基，舊路基經(jīng)多年負荷后，其力學指標相對于新路基有所提高，特別是地基強度和壓縮性。付鐵林[3]采用ABAQUS有限元軟件分析了軟土路基擴寬引起的水平位移和其土體內(nèi)部應(yīng)力變化規(guī)律，同時還進一步分析了地基土體的孔隙水壓力消散過程；姚俊麗[4]基于某項目山區(qū)的路基工程加寬，采用有限差分軟件模擬了新路基填筑過程引發(fā)路基—地基土體的應(yīng)力變化規(guī)律以及地基、路基表面的不均勻沉降變化規(guī)律，同時采用土工離心試驗探討了路基拓寬對不均勻沉降的影響變化分析；馮忠居等人[11]對山區(qū)公路路基加寬建設(shè)中的重力擋墻存在的問題，以G307工程項目為例，采用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬的方法對加寬路基和擋土墻的受力與變形特性進行了研究，其研究結(jié)果表明，路基加寬可以提高路基的安全穩(wěn)定性系數(shù)；許利東等人[5]為探討改建拓寬后的軟土路堤在工后水平位移、沉降變形以及水平應(yīng)力變化規(guī)律，建立了三維的FLAC3D有限差分路堤模型進行數(shù)值計算，其研究表明：“清泥+路基縱向臺階開挖+土工格柵鋪墊”的路基拓寬技術(shù)可以有效抑制新舊路基的不良沉降，從而控制路基路面的開裂現(xiàn)象；張軍輝等人[6]基于對舊路基進行拓寬會造成加寬的路基路面產(chǎn)生附加應(yīng)力的影響，采用ABAQUS有限元軟件建立雙側(cè)加寬路基模型進行模擬軟土路基拓寬的填筑，其研究結(jié)果表明：在施工期間舊路基的沉降呈現(xiàn)出倒鐘型的分布規(guī)律，此外，路堤坡腳處的水平位移向外側(cè)偏移的現(xiàn)象，且水平位移值隨著路基寬度的加寬而增大。

本文結(jié)合臨沂市大山路的道路拓寬工程，采用有限元ABAQUS 軟件進行數(shù)值仿真道路路基擴寬的施工過程，以獲取施工引起的新老路基變形和內(nèi)力變化，為工程的建設(shè)提供參考。

1 工程概述

大山路拓寬改造工程位于臨沂市蘭山區(qū)境內(nèi)，屬于城市郊區(qū)道路。其中，大山路西起工業(yè)園區(qū)大山路—大陽路交叉口，起點樁號K0+228.345，東至西中環(huán)大山路立交匝道結(jié)束，工程終點K4+416.875，路線全長4 188.53m，規(guī)劃道路等級為城市快捷路，道路紅線寬度為60m，全線采用雙向6 車道+輔道（1 機1 非）+人行道的建設(shè)。本文選取該工程的某一斷面進行計算分析，其擴寬的道路工程設(shè)計車速為60km/h，老道路路面寬度為12m，現(xiàn)在拓寬8m（左右兩側(cè)各4m），路基的高度為3m，該斷面的幾何形狀與工程地質(zhì)土層名稱如圖1所示。

圖1 道路路基拓寬形狀與地質(zhì)土層示意圖

拓寬路基施工流程可大致分為：①清理地基表面雜草；②對老路基進行臺階開挖至原設(shè)計高度；③鋪設(shè)土工格柵，新路基與舊路基的拼接

2 數(shù)值模型的建立

2.1 幾何模型尺寸

由于道路路基路面為條帶形的結(jié)構(gòu)物，因此，建立的模型可簡化為二維平面應(yīng)變模型進行分析。為消除邊界條件的影響，采用ABAQUS有限元軟件建立的模型尺寸取值需結(jié)合圣維南原理，即本次計算模型的長為60m，高為30m（路基寬度的3～5 倍），有限元整體計算模型如圖2所示。其中，網(wǎng)格劃分采用平面應(yīng)變CPE4R單元類型，總共2 438個單元數(shù)，2 616個節(jié)點數(shù)。

圖2 有限元整體計算模型

2.2 有限元本構(gòu)模型與計算參數(shù)

為提高計算效率，在滿足工程精確度的前提下，對本次數(shù)值計算作出如下的合理假設(shè)：

（1）路面材料服從線彈性，粉質(zhì)土夾礫砂、粉質(zhì)黏土、雜填土和新老路基材料服從Mohr-Coulomb強度破壞準則；

（2）拓寬路基填筑高度為1m/d；

（3）地基土與新路基土填料力學參數(shù)不隨施工的進行而變化；

（4）道路拓寬路基填筑屬于平面應(yīng)變問題。

同時。新路基填筑與舊路基以及地基之間的材料力學差異較大。因此，新拓寬路基與舊路基以及地基間設(shè)置界面摩擦的接觸面，以模擬可能發(fā)生的相對滑移現(xiàn)象。對舊路基—新路基之間的接觸采用Coulomb 摩擦模型給表征，其接觸面之間的接觸壓應(yīng)力為p，則摩擦模型中的極限摩擦力值為τcrit=μp。其中，μ為土體與土體的界面摩擦值，通常取值為μ=0.4。有限元模型計算參數(shù)見表1。

表1 有限元模型計算參數(shù)

2.3 模型的邊界條件設(shè)置與地應(yīng)力平衡

建立的計算模型可以認為是半空間無限體，因此，對模型左右兩側(cè)限制其水平向的位移，豎直方向位移為自由狀態(tài)；模型底部全部約束水平與豎向位移。模型建立完成后添加重力荷載。

3 數(shù)值計算結(jié)果分析

3.1 新路基填筑引起位移變形的分析

考慮篇幅有限以及建立的模型與路基中心線呈對稱性，為此，提取路基中心線右側(cè)擴寬路基填筑施工引起的地基沉降變形數(shù)據(jù)進行分析，得出的地基表面沉降數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 拓寬路基分層填筑施工—地基表面的水平位移

由圖3可知，在拓寬路基的填筑作用下，其地基表面的沉降位移值也逐漸增大。其中，拓寬路基每層填筑作用下，其地基表面的最大沉降位移均發(fā)生于新路基邊緣的正下方，沉降值分別為-8.73mm、-10.20mm、-11.18mm 和-12.29mm，沉降值分別遞減幅值為14.4%、8.8%和9.3%。將拓寬路基的填筑高度與地基表面對應(yīng)的最大沉降值繪制曲線，并擬合出相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系式，如圖4所示。圖中的填筑高度與地基沉降值可用式（1）進行擬合表達。

圖4 路基填筑高度與地基表面最大沉降關(guān)系

式（1）中：s為地基表面最大沉降值（mm）；h為路基填筑高度（m）。

3.2 新路基填筑引起路堤位移變形的分析

許多研究均表明，路基的失穩(wěn)破壞通常經(jīng)過其坡腳處，同樣路基坡腳的變形也是工程業(yè)界關(guān)注的焦點。因此，本文提取新拓寬路基坡腳處的水平位移曲線進行分析。新路基坡腳處的水平位移見圖5。

圖5 新路基坡腳處的水平位移

由圖5可知，在新路基拓寬的填筑施工作用下，其新路基坡腳處的地基沿著深度方向的施工過程都產(chǎn)生向外的水平位移。其中，新路基坡腳處的地基最大水平位移不發(fā)生于地基表面處，而是發(fā)生于距離地表深度3～4m處，其每層填筑作用下對應(yīng)的最大水平位移值分別為2.24mm、2.45mm、2.76mm和3.15mm，在坡腳處沿地表深度的地基在達到最大水平位移值后又逐漸減小，該現(xiàn)象源于隨土層的厚度增加，拓寬路基的填筑作用下產(chǎn)生的附加應(yīng)力隨著地基土層的厚度增加其逐漸被擴散出去，因此，遠離地表深度的地基水平變化就越小。

4 結(jié)語

本文基于臨沂市大山路道路兩側(cè)路基拓寬建立數(shù)值模擬研究，分析了路基拓寬填筑過程的施工仿真，獲取了地基沉降變形的數(shù)據(jù)和坡腳處沿地基深度的水平位移數(shù)據(jù)。施工期間和工后的地基表面最大沉降均發(fā)生于新路基的路肩正下方處，且沉降值隨著填筑高度的增加而增加。其中，在路基拓寬填筑作用下，引起地基表面的最大沉降位移可用填筑高度進行表達；在拓寬路基的填筑作用下，其地基表面的沉降位移值也逐漸增大；路基拓寬填筑施工下，引起的新路基坡腳處沿地表深度的地基水平位移隨著施工的進行其值也逐漸增大。