柳 偉 席強(qiáng)偉

(1.華東交通大學(xué)土木建筑學(xué)院 南昌 330013; 2.江西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系 南昌 330013)

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，越來越多的公路需要進(jìn)行改擴(kuò)建。由于新老路基填筑時(shí)間不同，它們之間往往會(huì)產(chǎn)生一定的差異沉降。周文[1]指出這種不均勻沉降是導(dǎo)致路基、路面病害發(fā)生的重要原因。

為解決此類問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)的研究，鄧松等[2]研究了道路擴(kuò)建工程中路堤拼接部的力學(xué)特性。楊濤等[3]采用二維非線性有限元法，對(duì)軟土地基上拓寬路堤的土工格柵加筋作用和效果進(jìn)行了模擬分析。王景環(huán)等[4]采用有限元參數(shù)分析方法，對(duì)路堤填筑材料物理參數(shù)對(duì)新老路堤變形特性的影響進(jìn)行了研究。葉紅英等[5]利用三維有限元方法進(jìn)行三維固結(jié)計(jì)算，模擬路基擴(kuò)建工程的地基變形。王家全等[6-7]對(duì)土工格室處治高填方新舊路堤進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，研究了格室的處治效果。

本文研究紅黏土地區(qū)道路拓寬后新老路基的差異沉降問題，采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究了多種因素對(duì)路堤加固的效果，為新老路基的設(shè)計(jì)和施工提供參考依據(jù)。

1 數(shù)值模型的建立

1.1 工程背景

江西某高速路段由于交通量的逐年增長，原有道路等級(jí)已不滿足交通需求，需對(duì)老路進(jìn)行擴(kuò)建。新、老路基的邊坡坡度均為1∶1.5，采用自上而下式的臺(tái)階開挖方式，臺(tái)階尺寸設(shè)計(jì)為1 m(高)×1.5 m(寬)，見圖1。模型的中心點(diǎn)為A點(diǎn)，老路基中心點(diǎn)(老路基沉降觀測點(diǎn))為B點(diǎn)，新路基中心點(diǎn)(新路基沉降觀測點(diǎn))為C點(diǎn)，加載位置水平向?yàn)?個(gè)相同的荷載分布區(qū)域，分別是以A為起點(diǎn)6～8 m處，即a～b，18～20 m處，即c～d段，縱向沿行車方向滿鋪在計(jì)算模型上。老路基總寬度為26 m，兩側(cè)拓寬寬度均為8.25 m，路面結(jié)構(gòu)層為碎石墊層和瀝青面層。拼接處的剖面圖見圖2。

圖1 加載平面圖(單位：m)

圖2 新老路基拼接剖面(單位：m)

1.2 模型的建立

由于道路的對(duì)稱性，選用路堤的1/2進(jìn)行分析，設(shè)定計(jì)算模型的坐標(biāo)系原點(diǎn)O為地基表面和模型對(duì)稱軸的交點(diǎn)，水平向右為X軸，豎直向上為Z軸。在Z軸方向上，選取路面以下25 m(路面結(jié)構(gòu)1 m，路基高度4 m，地基厚度20 m)作為本次模擬的計(jì)算范圍；在X軸方向上，以路基中線為起點(diǎn)向側(cè)邊延伸35 m作為本次模擬的計(jì)算范圍，根據(jù)FLAC3D軟件進(jìn)行分析。臺(tái)階開挖后的網(wǎng)格模型見圖3，新老路基拼接后的網(wǎng)格模型見圖4。

圖3 臺(tái)階開挖后的網(wǎng)格模型

圖4 新老路基拼接后的網(wǎng)格模型

1.3 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)工程勘察報(bào)告及相關(guān)資料，新老地基土層分為2層：第1層為8 m厚紅黏土；第2層為12 m厚微風(fēng)化巖石。紅黏土、微風(fēng)化巖石及路堤填土均采用Mohr-Coulomb模型來模擬。Mohr-Coulomb塑性模型主要適用于在單調(diào)荷載下,以顆粒結(jié)構(gòu)為特征的材料,如土壤。它與率變化無關(guān)，并假設(shè)材料是初始各向同性的。路面結(jié)構(gòu)層為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性的線彈性體，土工格柵的本構(gòu)關(guān)系簡化為線彈性。地基和路基各土層的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 各結(jié)構(gòu)層的物理參數(shù)

原有路基和地基在長期荷載和自然環(huán)境作用下，沉降基本趨于穩(wěn)定。 地下水位為地面以下2 m,先進(jìn)行地應(yīng)力平衡，生成初始應(yīng)力場。對(duì)原有路基邊坡開挖臺(tái)階，設(shè)定各土層的物理力學(xué)參數(shù)，并施加荷載進(jìn)行計(jì)算。在計(jì)算過程中設(shè)定相應(yīng)的應(yīng)力和位移跟蹤點(diǎn)，以模型中A點(diǎn)為起點(diǎn)，向右依次為：0，2，4，6，8，10，12，14，16，18，20，21 m，記錄沉降數(shù)值。模擬計(jì)算的邊界條件如下。

1) 由于對(duì)稱性，在x=0 m處，水平位移為0；在x=35 m平面上，由于距離荷載較遠(yuǎn)，假設(shè)荷載在該平面上不引起位移，因此在x=35 m平面上水平位移為0。

2) 假設(shè)微風(fēng)化巖石底部沒有豎向位移，即在z=-25 m平面上w=0。

2 計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 加筋與不加筋比較

為研究鋪設(shè)格柵和不鋪設(shè)格柵對(duì)新老路基差異沉降的影響，考慮加格柵和不加格柵的2種方案。圖5給出了填筑高度為4 m時(shí)，加格柵和不加格柵的路基表面沉降曲線，比較可以得出，不加筋時(shí)，新老路基的差異沉降為7.01 cm，加筋后，新老路基的差異沉降減小5.56 cm，減小了33.5%，說明土工格柵對(duì)減少路基沉降有一定作用。通常情況下，作為加筋體存在于高等級(jí)公路拓寬工程中的土工合成材料對(duì)拓寬路基有積極影響，其中包括提高地基承載力，增強(qiáng)地基土的約束力，減小水平位移，從而使路基的不均勻沉降減小，大大提高拓寬路基的整體性。

圖5 拓寬路基沉降曲線圖

2.2 路堤填筑高度的影響

在進(jìn)行公路拓寬擴(kuò)建工程中，路基高度的大小直接影響著路基和地基變形的大小，為研究不同路堤高度對(duì)拓寬路基沉降的影響，分別選取路堤高度為2，4和6 m進(jìn)行模擬，從而分析比較差異沉降。填筑高度對(duì)拓寬路基沉降的影響見圖6，新老路基差異沉降與填筑高度關(guān)系曲線見圖7。

圖6 填筑高度對(duì)拓寬路基沉降的影響

圖7 新老路基差異沉降與填筑高度關(guān)系曲線

由圖6可見，拓寬路基的差異沉降隨著填筑高度的增加而增加。當(dāng)路基高度為2 m時(shí)，最大的差異沉降為2.63 cm；當(dāng)填筑高度為4 m時(shí)，最大的差異沉降為6.58 cm；當(dāng)填筑高度為6 m時(shí)，最大的差異沉降為8.81 cm。

由圖7可見，對(duì)于新路基和老路基，填筑高度越小，新、老路基的差異沉降越小。這是因?yàn)樘钪叨仍叫?，新路基?duì)老路基的影響就越小，從而老路基的附加應(yīng)力就越小。因此，在滿足最小路堤高度的前提下，減少路堤高度可有效減少新老路基差異沉降。

2.3 格柵層數(shù)的影響

為分析不同土工格柵層數(shù)對(duì)差異沉降的影響，選用3種情況進(jìn)行對(duì)比，分別為：1層土工格柵(位于地基表面)，2層土工格柵(1層位于地基表面，1層位于路基表面)，3層土工格柵(1層位于地表，1層位于路基中部，1層位于路基表面)。對(duì)不同的格柵鋪設(shè)方式，間距越大，格柵所承受的荷載就越大，拉力就越大。格柵鋪設(shè)的層數(shù)與新路基中心點(diǎn)沉降關(guān)系見圖8，可以看出格柵層數(shù)的增加對(duì)新老路基的差異沉降的減少效果不是很明顯。分別在路基表面和地基表面鋪設(shè)格柵可有效地減少新、老路基的差異沉降，隨著土工格柵的層數(shù)增加，效果會(huì)慢慢減弱，所以應(yīng)該合理設(shè)置土工格柵的層數(shù)，以達(dá)到最優(yōu)的效果。

圖8 土工格柵層數(shù)對(duì)拓寬路基沉降的影響

2.4 格柵彈性模量的影響

圖9為土工格柵模量不同時(shí)拓寬路基沉降曲線。

圖9 不同土工格柵模量下拓寬路基沉降曲線

由圖9可見，沉降量隨著距老路基中心點(diǎn)的距離增大，先增大后減?。煌貙捖坊牟町惓两狄搽S著土工格柵的彈性模量的增加而減少，但是彈性模量從3 000 MPa增加至7 000 MPa，對(duì)新老路基的差異沉降效果不太明顯?？梢钥闯?，在鋪設(shè)格柵的左側(cè)老路基部分的沉降基本相同，新路基部分隨著格柵彈性模量的增加，其沉降有效減少。

2.5 路堤填筑寬度的影響

圖10為拓寬道路寬度對(duì)拓寬路基沉降的影響，分別選取拓寬寬度為8.25，10.25，12.25 m 3種情況進(jìn)行分析計(jì)算。由圖10可見，隨著拓寬寬度的增加，路基沉降有明顯的增加，路基填筑寬度加劇了新老路基之間的差異沉降。拓寬寬度從8.25～12.25 m，路基最大沉降的位置有向外側(cè)移動(dòng)的趨勢。在滿足最小拓寬寬度的前提下，控制路基的拓寬對(duì)路基變形、差異沉降的減少能夠起到重要作用。

圖10 拓寬寬度對(duì)拓寬路基沉降的影響

3 結(jié)論

1) 在新老路基拼接處設(shè)置土工格柵，可以有效地減小新老路基間的差異沉降。土工格柵能夠擴(kuò)散豎直作用在地基上的應(yīng)力，減小不均勻沉降，提高拓寬路基的整體性。

2) 填筑高度從2 m增加到6 m時(shí)，路基差異沉降有明顯的增加。這是由于隨著填筑高度增加，自重應(yīng)力必然隨之增加，加劇了不均勻沉降。

3) 在路基拓寬工程中，增加土工格柵層數(shù)對(duì)拓寬路基的影響效果會(huì)慢慢減弱，應(yīng)合理設(shè)置土工格柵的層數(shù)，節(jié)約造價(jià)。

4) 隨著土工格柵彈性模量的增加，拓寬路基的差異沉降減少，老路基的沉降基本保持不變。

[1] 周文.新老路基強(qiáng)度不均勻性對(duì)拓寬路面結(jié)構(gòu)影響分析[J].公路工程,2009,34(5):67-74.

[2] 鄧松,李方超,姚波.道路擴(kuò)建工程中路堤拼接部力學(xué)特性研究[J].交通科技,2016(2):99-102.

[3] 楊濤,楊錦忠,石磊,等.土工格柵加筋拓寬路堤有限元分析[J].土木工程學(xué)報(bào),2011,34(增刊2):37-40.

[4] 王景環(huán),盧義玉,郭建強(qiáng),等.高速公路拓寬工程中填筑材料對(duì)新老路堤變形特性的影響[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,44(2):726-731.

[5] 葉紅英,張?jiān)傥?張藝.軟土地基上高速公路擴(kuò)建工程的三維有限元模擬[J].交通科技,2017(2):25-27.

[6] 王家全,周健,叢林,等.高填方加筋新舊路堤現(xiàn)場試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,29(增刊1):2943-2950.

[7] 傅珍,王選倉,李宏志,等.路面結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)拓寬道路附加應(yīng)力的影響[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2008,32(6):1117-1120.