摘要：為系統(tǒng)研究高速公路拓寬后的路基變形規(guī)律和影響因素，文章基于ABAQUS軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，系統(tǒng)分析了路基拓寬變形規(guī)律及路基填筑寬度、填筑高度及施工固結(jié)時(shí)間對(duì)路基變形的影響。結(jié)果表明：路基拓寬后，沉降首先發(fā)生在老路基中心位置，且隨著距老路基中心距離的增大，路基變形先增大后減小，最大變形量分別為60 mm、100 mm、140 mm和160 mm；路基變形隨填筑寬度的增大而增大，在拓寬寬度為8 m、11 m和14 m工況下，路基的最大變形量分別為150 mm、190 mm和200 mm；填筑高度對(duì)沉降的影響比較小，計(jì)算結(jié)果顯示，不同填土高度的最終沉降量均為156 mm，但分層填筑高度對(duì)路基變形達(dá)到最大值的速率有影響；實(shí)際工程中應(yīng)盡量使土體得到充分固結(jié)沉降，從而減小公路在運(yùn)營期的沉降變形。

關(guān)鍵詞：路基拓寬；變形規(guī)律；影響因素；高速公路

中圖分類號(hào)：U416.1+1

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，現(xiàn)有已建高速公路無法滿足日益增長(zhǎng)的交通量需求，采用路基拓寬方式解決交通擁堵成為公路工程項(xiàng)目的重要內(nèi)容。薛洋［1］基于數(shù)值模擬系統(tǒng)分析了公路拓寬路基變形特性的影響因素。結(jié)果表明，采用雙側(cè)拓寬的方式比單側(cè)拓寬方式的沉降變形更小更安全。此外，路基寬度和高度的增大會(huì)導(dǎo)致新舊路基水平變形和不均勻沉降增大。盧業(yè)旭等［2］基于數(shù)值模擬系統(tǒng)地研究了堆填厚度及填筑速率對(duì)拓寬路基變形的影響，結(jié)果表明，筑填速率越快，路基變形越大，且孔隙水壓力消散越慢；隨填土厚度的增大，相同填筑速率下差異性沉降的沉降量隨之變大。翁效林等［3-4］基于有限元數(shù)值模擬系統(tǒng)地分析了路基拓寬時(shí)管樁復(fù)合地基沉降變形機(jī)理，結(jié)果表明管樁處理能夠較好地控制軟土地基的沉降，有效緩解拓寬新老路基的差異沉降問題；基于有限元研究了影響拓寬路基差異性沉降的因素，結(jié)果表明差異沉降限隨填方高度的增加而增大，隨著拓寬比的增加而減小，隨著路堤填料彈性模量的增加而增大。陳庚等［5］基于數(shù)值分析，系統(tǒng)地研究了擴(kuò)寬公路的變形特征，結(jié)果表明地基沉降和水平位移主要發(fā)生在軟土淺層，在拓寬荷載作用下，新舊路堤交界面處會(huì)產(chǎn)生過大的剪應(yīng)力。于建榮等［6］基于有限元模擬系統(tǒng)地研究了拓寬路基沉降特性與影響因素，結(jié)果表明對(duì)于軟土地區(qū)的路基拓寬沉降曲線呈現(xiàn)“反盆形”狀態(tài)，道路的不均勻沉降量隨新填路基彈性模量的提高而增大。采用地基處理進(jìn)行加固可以顯著減小路基沉降和不均勻變形。

本文基于某實(shí)際工程案例，采用ABAQUS軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，系統(tǒng)地分析了路面加寬前后路基的穩(wěn)定性，并在此基礎(chǔ)上研究了公路拓寬穩(wěn)定性的影響因素，研究成果可為類似工程提供參考。

1 工程概況與數(shù)值模型

某高速公路某段路基拓寬工程原始路堤寬度為14 m，為適應(yīng)日益增大的交通量，拓寬寬度為8 m，邊坡坡率為1∶1.5。擴(kuò)寬按照每層0.8 m進(jìn)行臺(tái)階式施工。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔資料顯示，巖土體由上到下分別為填土、粉土和黏土。根據(jù)典型剖面建立數(shù)值計(jì)算模型如圖1所示。為了減小應(yīng)力波在模型邊界反射造成的誤差，適當(dāng)對(duì)建模范圍進(jìn)行擴(kuò)大。模型的邊界條件為底部約束三個(gè)方向的自由度。左右兩側(cè)施加水平方向的約束，頂部為自由面。本文對(duì)模型中所采用的土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。巖土體的計(jì)算采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型，其力學(xué)參數(shù)如表1所示。

本文相關(guān)的路基拓寬項(xiàng)目采用的加載方式如圖2所示。即荷載施加歷時(shí)30 d，固結(jié)時(shí)間為30 d，當(dāng)填筑高度達(dá)到4 m時(shí)，固結(jié)時(shí)間為365 d。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 路基拓寬變形規(guī)律

圖3匯總得到了拓寬路基變形曲線。結(jié)果表明，隨著距離的增大，路基變形量先增大后減小，在距離為50 m的時(shí)候，路基變形量達(dá)到最大，最大變形量分別為60 mm、100 mm、140 mm和160 mm。綜合來看，路基變形首先發(fā)生在老路基的中心點(diǎn)處，在新老路基交界位置處變形速率最大。實(shí)際工程中，對(duì)于新老路基交界位置需格外重視。

2.2 路基拓寬寬度對(duì)穩(wěn)定性的影響

圖4匯總得到了拓寬寬度對(duì)路基變形的影響曲線。結(jié)果表明，隨拓寬寬度的增大，路基變形逐漸增大，相同拓寬寬度下，隨距離的增大而先增大后減小。在拓寬寬度為8 m、11 m和14 m工況下，路基的最大變形量分別為150 mm、190 mm和200 mm。也就是說，當(dāng)拓寬寬度增大到一定程度時(shí)，路基變形的速率越來越小。此外，最大沉降位[JP+1]置逐漸從新老路基交界位置處轉(zhuǎn)移至新路基中心位置，這是因?yàn)殡S新路基的寬度逐漸增大，老路在尺寸上所占的比例逐漸減小，路基應(yīng)力發(fā)生重分布，因此在理想狀態(tài)下，路基變形會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)移。圖5給出了固結(jié)時(shí)間對(duì)路基變形的影響曲線。結(jié)果表明，在拓寬11 m和14 m時(shí)，路基的沉降速率顯著增大，因此路基拓寬寬度增大不僅會(huì)增大路基的沉降量，也會(huì)增大沉降速率。

2.3 分層填土厚度對(duì)穩(wěn)定性的影響

圖6匯總得到填筑高度對(duì)路基變形的影響曲線。結(jié)果表明，填筑高度對(duì)路基的變形影響非常小?？傮w來看，沉降曲線呈拋物線分布。這是因?yàn)楦淖兎謱痈叨戎粫?huì)影響施工工期，而對(duì)于填筑的物理力學(xué)參數(shù)性質(zhì)改變不明顯。圖7展示了填筑高度沉降與工期的關(guān)系。結(jié)果表明，不同填筑高度的最終沉降量均為156 mm，但不同的填筑高度會(huì)影響路基達(dá)到最大沉降值的時(shí)刻。此外，分層填筑高度對(duì)路基變形達(dá)到最大值的速率有影響。下頁圖8展示了分層填筑與沉降的關(guān)系。結(jié)果表明，沉降速率與分層高度呈線性關(guān)系。這主要是由分層填筑高度的逐漸累積所導(dǎo)致的。實(shí)際工程中，應(yīng)盡量減小分層填筑高度，以避免過快沉降。

2.4 施工期填土固結(jié)時(shí)間對(duì)穩(wěn)定性的影響

在其他條件不變的情況下，分別計(jì)算了路基施工期填土固結(jié)時(shí)間為5 d、15 d和30 d工況下的拓寬沉降規(guī)律如圖9所示。結(jié)果表明，在三種不同的固結(jié)時(shí)間下，沉降曲線近似重合，證明施工期填土固結(jié)時(shí)間對(duì)路基的沉降影響較小。最大沉降發(fā)生在距離50 m位置，最大值均為160 mm。這是因?yàn)楸疚乃芯康氖强⒐ず?年的變形量，因此在比較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，施工期的變形基本不屬于沉降的主要因素。此外，與不同填筑層厚度相比，時(shí)間對(duì)沉降的影響也比較小，這也證明，路基沉降的最終變形量對(duì)施工的敏感性比較低。

圖10展示了施工期填土固結(jié)時(shí)間對(duì)工后沉降的影響情況。結(jié)果表明，隨著施工期填土固結(jié)時(shí)間的變大，公路的竣工后變形量增大，其中最大沉降由160 mm增大至250 mm。最大值增長(zhǎng)幅度為6%。導(dǎo)致這一現(xiàn)象的主要原因是施加固結(jié)時(shí)間比較長(zhǎng)，土體固結(jié)程度比較充分，從而竣工后的沉降相對(duì)地就會(huì)減小。實(shí)際工程中，應(yīng)充分考慮土體的固結(jié)時(shí)間對(duì)路基沉降的影響。在不同的施工工期中，采用不同的措施，盡量使得路基在荷載作用下固結(jié)沉降最為充分，從而減小公路運(yùn)營期的沉降。

3 結(jié)語

本文基于ABAQUS軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，系統(tǒng)地分析了路基拓寬變形規(guī)律及路基填筑寬度、填筑高度及施工固結(jié)時(shí)間對(duì)路基變形的影響。得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：

（1）路基變形首先發(fā)生在老路基的中心點(diǎn)處，在新老路基交界位置處變形速率最大，隨著距老路基中心距離的增大，路基變形先增大后減小，在距離為50 m的時(shí)候，路基變形量達(dá)到最大。最大變形量分別為60 mm、100 mm、140 mm和160 mm。

（2）隨拓寬寬度的增大，路基變形逐漸增大，相同拓寬寬度下，隨距離的增大而先增大后減小。在拓寬寬度為8 m、11 m和14 m工況下，路基的最大變形量分別為150 mm、190 mm和200 mm。此外，最大沉降位置由新老路基交界位置處逐漸轉(zhuǎn)移值新路基中心位置。

（3）填筑高度對(duì)于路基的變形影響非常小，且沉降曲線呈拋物線分布。不同填筑高度的最終沉降量均為156 mm，但不同填筑高度會(huì)影響路基達(dá)到最大沉降值的時(shí)刻。此外，分層填筑高度對(duì)路基變形達(dá)到最大值的速率有影響。

（4）施工期的路基固結(jié)沉降在總沉降值中所占的比例較小，且遠(yuǎn)比分層填筑高度對(duì)路基變形的影響更小。因此實(shí)際工程中應(yīng)盡量使土體得到充分固結(jié)沉降，從而減小公路在運(yùn)營期的沉降變形。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2024-03-06

作者簡(jiǎn)介：孔德財(cái)（1990—），一級(jí)建造師，主要從事高速公路建設(shè)、二級(jí)公路建設(shè)等監(jiān)理工作。