李德臣

摘要 公路拓寬工程極易出現(xiàn)路基不均勻沉降現(xiàn)象，影響道路行車安全。文章依托某工程實(shí)例，通過(guò)數(shù)值模擬手段分析了拓寬路基的變形規(guī)律和主要影響因素。結(jié)果表明：舊路基中心線位置存在較為明顯的隆起變形，隨著距離道路中心距離的增加，路基頂面變形逐漸由隆起變形向沉降變形過(guò)渡，曲線呈“勺狀”。路基頂面沉降與路基填筑高度和拓寬寬度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，且新、舊路基交界處曲線斜率增幅最為顯著。路基彈性模量并非引起路基頂面沉降現(xiàn)場(chǎng)的主要影響因素。地基壓縮模量對(duì)路基頂面沉降影響最為顯著，地基壓縮模量越高，拓寬路基頂面沉降變形越小。在實(shí)際工程中，應(yīng)考慮拓寬路基的地基部分以壓縮模量參數(shù)，做好現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)并根據(jù)實(shí)際情況采取必要的地基處理措施。

關(guān)鍵詞 公路拓寬；路基沉降；數(shù)值模擬；有限元方法

中圖分類號(hào) U416文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）03-0084-03

0 引言

隨著我國(guó)基建行業(yè)的發(fā)展和交通運(yùn)輸行業(yè)的需要，公路拓寬工程要求越來(lái)越高，而由于拓寬后新、舊路基的差異，拓寬后的路基極易發(fā)生不均勻沉降，影響道路安全和正常運(yùn)營(yíng)，為此許多研究人員進(jìn)行了一系列研究。

張素霞[1]依托山西晉中高速公路擴(kuò)建工程，通過(guò)有限元方法對(duì)拓寬路基變形規(guī)律進(jìn)行了研究，分析了拓寬路基穩(wěn)定后的路面結(jié)構(gòu)變形特性。段丹軍和楊烜宇[2]開展了離心模型試驗(yàn)，考慮了降雨的影響，研究了典型黃土路基拓寬后在降雨作用下的變形情況。李麗華等[3]通過(guò)土工合成材料對(duì)高速公路拓寬路基進(jìn)行了加固，并考慮了動(dòng)力荷載的作用，采用數(shù)值模擬手段研究了高速公路加筋拓寬路基的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律和變形特性。葉觀寶等[4]通過(guò)開展離心模型試驗(yàn)對(duì)比研究了不同拓寬方式下軟土路基內(nèi)力分布和變形規(guī)律的差異，并通過(guò)Boussinesq公式計(jì)算了拓寬路堤引起的地基附加應(yīng)力。祝建華等[5]采用了鋼絲網(wǎng)對(duì)拓寬路基新舊路基結(jié)合處進(jìn)行了加筋，通過(guò)數(shù)值模擬手段對(duì)比了多個(gè)加筋方案下拓寬路基的差異沉降和力學(xué)響應(yīng)規(guī)律。許正璇[6]依托某穿越鹽漬土區(qū)公路的線路路基拓寬建設(shè)工程，探討了鹽漬土區(qū)公路路基拓寬溶陷變形控制關(guān)鍵技術(shù)，并根據(jù)高地下水位鹽漬土區(qū)的防溶陷需求給出了線路阻水措施。

在該文中，依托某工程實(shí)例，通過(guò)有限元數(shù)值軟件建立了公路拓寬路基仿真模型，分析了拓寬路基寬度、填筑高度、路基彈性模量和地基壓縮模量等因素對(duì)路基變形的影響。該文的研究成果可為相似公路拓寬工程提供一定的指導(dǎo)和借鑒作用。

1 工程概況

該文依托某國(guó)道拓寬工程，該工程原路基寬度為25 m，設(shè)計(jì)車道為4車道，拓寬路基寬度為8 m，拓寬后為6車道，路基高度為6 m，坡度1∶1.5，采用臺(tái)階法對(duì)新路基施工。如表1所示，給出了該項(xiàng)目土層物理力學(xué)參數(shù)。為探討拓寬路基沉降變形的主要影響因素，對(duì)該國(guó)道拓寬路基項(xiàng)目進(jìn)行了有限元計(jì)算分析。

2 拓寬路基數(shù)值模型

2.1 模型參數(shù)

根據(jù)工程實(shí)際情況，采用有限元數(shù)值軟件建立了拓寬路基仿真模型，模型尺寸設(shè)為60 m×15 m×30 m（長(zhǎng)×寬×高），原有路基寬度設(shè)為25 m，拓寬路基寬度設(shè)為8 m，路基高度設(shè)為6 m，坡度設(shè)為1∶1.5。計(jì)算參數(shù)均參照表1進(jìn)行取值，具體采用摩爾—庫(kù)倫模型模擬。

邊界條件方面，根據(jù)工程實(shí)際情況與相關(guān)模擬研究，模型底部設(shè)為固定邊界條件，四周設(shè)為法向約束條件，頂部和坡面設(shè)為自由約束條件。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，考慮計(jì)算效率，為確保計(jì)算結(jié)果的精確性，對(duì)新、舊路基交界面位置處進(jìn)行了局部的網(wǎng)格加密處理，共劃分出312 845個(gè)10節(jié)點(diǎn)有限元網(wǎng)格，該拓寬路基模型的有限元網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。

2.2 交通荷載

依據(jù)現(xiàn)行的公路規(guī)范，單軸—雙輪組合荷載取100 kN，輪壓取0.7 MPa，靜力等效荷載通過(guò)式（1）進(jìn)行計(jì)算：

式中，p1——施加于路面的外部荷載；p2——施加于路基頂部的荷載；d1——路面頂部等效當(dāng)量圓的半徑，根據(jù)工程實(shí)際情況，該文取0.22 m；d2——路基頂部等效當(dāng)量圓的半徑，該文取1.35 m。經(jīng)計(jì)算，該文計(jì)算采用的路基頂部等效交通荷載p2為16.5 kPa。

3 參數(shù)敏感性分析

3.1 拓寬寬度

為研究拓寬寬度對(duì)路基頂面沉降變形的影響，以2 m為步長(zhǎng)，對(duì)6～12 m路基拓寬寬度工況下的路基頂面沉降變形分別進(jìn)行了模擬計(jì)算。如圖2所示，展示了路基不同拓寬寬度工況下路基頂面的沉降曲線。

從圖2可以看出，舊路基中心線位置路基頂面出現(xiàn)了較為明顯的隆起變形，且該隆起變形數(shù)值與路基拓寬寬度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，路基拓寬寬度越大，舊路基隆起變形越明顯。隨著距離道路中心距離的增加，路基頂面變形逐漸由隆起變形向沉降變形過(guò)渡，隨著“距離”增加，沉降變形呈現(xiàn)單調(diào)上升規(guī)律，直到接近邊緣位置出現(xiàn)較小幅度的回落，曲線呈“勺狀”。拓寬6 m工況下，路基沉降變形峰值為6.2 cm；拓寬8 m工況下，路基沉降變形峰值為8.3 cm；拓寬10 m工況下，路基沉降變形峰值為10.1 cm；拓寬12 m工況下，路基沉降變形峰值為11.8 cm。由此可見，拓寬路基寬度越大，路基沉降變形越顯著，在實(shí)際工程中，可采用雙側(cè)拓寬的方式或其他措施進(jìn)行應(yīng)對(duì)。

3.2 路基高度

為研究路基填筑高度對(duì)路基頂面沉降變形的影響，以2 m為步長(zhǎng)，對(duì)4～10 m路基填筑高度工況下的路基頂面沉降變形分別進(jìn)行了模擬計(jì)算。如圖3所示，展示了路基不同填筑高度工況下路基頂面的沉降曲線。

從圖3可以看出，路基填筑高度4 m和6 m工況下舊路基頂面出現(xiàn)了隆起變形。沉降變形方面，路基頂面沉降與路基填筑高度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，路基填筑高度越大，路基頂面沉降變形越明顯。路基頂面沉降隨與舊路基中心線的距離增加而單調(diào)增大，但增加速率呈現(xiàn)先增后減的變化規(guī)律，在新、舊路基交界處曲線斜率增幅最為顯著，因此，在實(shí)際工程中，應(yīng)著重考慮該位置處的加固。

3.3 路基彈性模量

為研究路基彈性模量對(duì)路基頂面沉降變形的影響，以5 MPa為步長(zhǎng)，對(duì)30～50 MPa路基彈性模量工況下的路基頂面沉降變形分別進(jìn)行了模擬計(jì)算。如圖4所示，展示了路基不同彈性模量工況下路基頂面的沉降曲線。

從圖4可以看出，路基彈性模量對(duì)路基頂面沉降影響并不明顯，各工況主要差異體現(xiàn)在路肩位置處，且各工況沉降隨道路中心線距離的變化規(guī)律一致。路基彈性模量與頂面沉降呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，路基彈性模量越高，路基頂面沉降越小。整體而言，路基彈性模量并非引起路基頂面沉降現(xiàn)場(chǎng)的主要影響因素，雖然增加路基彈性模量能降低沉降變形和差異沉降，但效果不是很明顯。在實(shí)際工程中，可根據(jù)實(shí)際情況在合理的經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)，采用提高壓實(shí)度的方式提高路基彈性模量，以改善路基沉降變形。

3.4 地基壓縮模量

為研究地基壓縮模量對(duì)路基頂面沉降變形的影響，以2 MPa為步長(zhǎng)，對(duì)4～12 MPa地基壓縮模量工況下的路基頂面沉降變形分別進(jìn)行了模擬計(jì)算。如圖5所示，展示了地基不同壓縮模量工況下路基頂面的沉降曲線。

從圖5可以看出，相對(duì)于路基彈性模量，地基壓縮模量對(duì)路基頂面沉降影響更為顯著。對(duì)比各工況發(fā)現(xiàn)，地基壓縮模量越高，拓寬路基頂面沉降變形越小，兩者為負(fù)相關(guān)關(guān)系。地基彈性模量為4 MPa工況下，路基頂面沉降變形峰值為11.6 cm，最大差異沉降為12.3 cm；地基彈性模量為12 MPa工況下，路基頂面沉降峰值為6.5 cm，最大差異沉降為7.1 cm，相較于前者，沉降值降低了43.96%，差異沉降降低了42.28%，可見效果極為明顯。因此，在實(shí)際路基拓寬工程中，應(yīng)考慮拓寬路基的地基部分壓縮模量參數(shù)，做好現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)并根據(jù)實(shí)際情況采取必要的地基處理措施。

4 結(jié)論

為研究公路拓寬路基沉降變形規(guī)律與影響因素，該文依托某公路拓寬工程，通過(guò)有限元數(shù)值軟件建立了公路拓寬路基仿真模型。基于此，分析了拓寬路基寬度、填筑高度、路基彈性模量和地基壓縮模量等因素對(duì)路基頂面沉降的影響。得出主要結(jié)論如下：

（1）舊路基中心線位置存在較為明顯的隆起變形，隆起變形與路基拓寬寬度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。隨著距離道路中心距離的增加，路基頂面變形逐漸由隆起變形向沉降變形過(guò)渡，直到接近邊緣位置出現(xiàn)較小幅度的回落，曲線呈“勺狀”。

（2）路基頂面沉降與路基填筑高度和拓寬寬度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，且新、舊路基交界處曲線斜率增幅最為顯著。實(shí)際工程中，可考慮采用雙側(cè)拓寬和結(jié)合面加固等方式進(jìn)行改善。

（3）路基彈性模量并非引起路基頂面沉降現(xiàn)場(chǎng)的主要影響因素，雖然增加路基彈性模量能降低沉降變形和差異沉降，但效果并不明顯。可根據(jù)實(shí)際情況，在合理的經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)采用提高壓實(shí)度的方式提高路基彈性模量，以改善路基沉降變形。

（4）相對(duì)于路基彈性模量，地基壓縮模量對(duì)路基頂面沉降影響更為顯著，地基壓縮模量越高，拓寬路基頂面沉降變形越小，地基壓縮模量為12 MPa工況較4 MPa工況沉降峰值降低了43.96%，最大差異沉降降低了42.28%。

參考文獻(xiàn)

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[2]段丹軍， 楊烜宇. 降雨入滲對(duì)黃土拓寬路基變形影響的離心模型試驗(yàn)[J]. 交通科學(xué)與工程， 2023（4）： 17-23+46.

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