高速公路拓寬工程中填筑材料對新老路堤變形特性的影響

王景環(huán) ，盧義玉 ，郭建強，杜鵬 ，湯積仁 ，沈曉蕓

(1.重慶大學 煤礦災害動力學與控制國家重點實驗室，重慶，400044；2.重慶大學 復雜煤氣層瓦斯開采國家地方聯(lián)合工程實驗室，重慶，400044；3.重慶大學 土木工程學院，重慶，400045)

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展,部分高速公路已不能適應交通量增長和社會發(fā)展的需要, 急需拓寬改建。自廣佛高速公路加寬工程動工以來，先后有海南環(huán)島東線、沈大(沈陽—大連)[1]、京津塘(北京—天津—塘沽)[2]、廣佛(廣州—佛山)[3]、滬杭甬[4-5]等高速公路相繼局部或全線擴建。結(jié)合國外經(jīng)驗及根據(jù)國家經(jīng)濟發(fā)展趨勢，全國主要經(jīng)濟干線走廊帶內(nèi)，如京廣、京滬、京沈高速等，遠期將需要10 條左右車道的高速公路的通行能力[6]，因此，高速公路的擴建工程將是本世紀初我國公路建設的新階段[7]。另一方面，有待擴建的高速公路主要分布在我國的東部沿海經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，同時也是我國軟土廣泛分布的地區(qū)。軟土地基上高速公路擴建工程中，新老路基的差異沉降問題是目前拓寬道路中常見的問題之一，也是道路在使用后路面產(chǎn)生裂縫導致路基路面整體破環(huán)的主要原因[8]，因此，找出影響新老路堤不均勻變形的主要因素是目前擴建面臨的主要問題，探尋減少差異沉降措施對軟土地基上高速公路擴建工程實踐具有指導意義。許多學者從開挖方式、換填深度、填筑高度等方面進行研究影響新老路堤附加變形因素[9-12]，但均未考慮填筑材料對新老路堤變形影響。為此，本文依托湖北滬蓉西高速公路賀家坪連接線單側(cè)拓寬工程，通過有限元參數(shù)分析法探討拓寬部分路堤的填筑材料物理力學參數(shù)對新老路堤影響，得出路堤附加變形、差異沉降及橫坡坡度變化的規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測值驗證有限元計算模型正確和計算結(jié)果的可靠性。

1 有限元計算參數(shù)與模型

拓寬路堤參數(shù)如圖1所示。如圖1所示，原道路路面寬度為6.0 m，單側(cè)拓寬8.0 m，路基拓寬17.1 m，高30 m，碎石換填層厚度為2 m，新路堤的邊坡坡比為1∶1.5，距路基頂面8.0 m處設一寬為2.0 m的平臺。老路邊坡外側(cè)為老路開挖時的棄方以及山體風化作用形成的殘留堆積物，為簡化計算，假定這一部分為同一類土體。有限元分析參數(shù)具體取值如表 1和表 2所示。

圖1 拓寬路堤的參數(shù)示意圖(單位：m)Fig.1 Parameters diagram of embankment widening

拓寬路堤按平面應變問題處理，建立Drucker-Prager非線性彈塑性本構(gòu)模型。填筑體采用四變形單元，程序中選用 plane42單元模擬。格柵采用一維桿單元，程序中選用 link1單元模擬。接觸面采用 Goodman單元，程序中調(diào)用點點接觸的 contact12單元模擬。網(wǎng)格劃分中所采用的單元邊長為 1。結(jié)構(gòu)左右邊界分別為橫向固定約束，無水平位移，底部為全約束，各方向均沒有位移。

表1 新老路基的計算參數(shù)Table 1 Calculation parameters of old and new roadbeds

表2 土工格柵筋材單元計算參數(shù)Table 2 Calculation parameters of polymer-geo grid reinforced material unit

2 路堤填筑材料對路堤附加變形的影響

2.1 填筑材料壓縮模量對附加變形的影響

不同的填筑材料的壓縮模量存在較大的差異，壓縮模量的變化對新老路堤附加變形的影響較大。新填路堤的壓縮模量分別為60，80，120，200 MPa 4種工況下進行計算，路基表面位移曲線如圖2所示。

從圖2可見：隨著新填路堤壓縮模量的增大，新路基表面水平位移和豎向位移都呈現(xiàn)遞減的趨勢，新填路堤的壓縮模量與老路基邊坡的比值越大(或者新路堤與老路堤的壓縮模量越接近時)，拓寬路基表面的位移越均勻，差異沉降越小。

圖2 不同壓縮模量下路基表面位移Fig.2 Surface displacements with different compression moduli

2.2 填筑材料容重對附加變形的影響

新路堤填筑材料的容重存在較大的差異，密度的變化直接影響新填路堤的自重荷載，進而影響新老路堤的相互作用及新路堤的變形形狀。選擇填筑材料容重分別為16，17，18和19 kN/m3，4種工況下的路基表面位移變形曲線如圖3所示。

從圖3(a)和(b)可見：隨著填料密度的增大，新老路基表面水平位移和豎向位移都有一定程度的增大，新老路堤的不均勻變形明顯，最大變形在拓寬后路基的中心處。從圖 3(c)可見：最大豎向位移隨著路堤填筑材料密度的不斷增加而以近似正比例不斷增加的趨勢。

4種工況下新路肩到沉降最大點的坡度變化率分別為0.131%，0.140%，0.149%和0.158%，坡度變化率的差均為0.009%，隨著新填路堤密度的增加，坡度變化率也在以相同的速率增大。

2.3 填筑材料c和φ對附加變形的影響

參數(shù)c和φ是表征路堤填筑材料的抗剪強度的指標，分析c和φ變化對加寬路堤附加變形的影響有助于選擇合適的填筑材料。通過選擇不同的c和φ，拓寬路基表面豎向位移計算結(jié)果如圖4與圖5所示。

如圖4所示，保持φ不變，變化c得到的新老路基豎向變形曲線和最大豎向位移變化曲線。從圖4可見：從老路基左肩至拓寬后路基中心處，其表面豎向位移曲線基本沒有變化，而拓寬路基中心至右路肩則隨著c的變大而迅速的減小。拓寬路堤的中心處(即豎向變形最大處)，豎向位移呈現(xiàn)出隨c的增大而先變大后變小的趨勢，在c取得60 kPa時，達到最大值。

圖3 不同填料容重下路基表面位移Fig.3 Surface displacements of sub grade with different bulk densities

圖4 路基表面豎向位移隨c變化的曲線圖Fig.4 Vertical surface displacement of sub grade with different values of c

圖5 路基豎向位移隨φ的變化曲線Fig.5 Vertical surface displacement of sub grade with different values of φ

如圖5所示，保持c不變，變化φ得到新老路堤豎向變形曲線和最大豎向位移變化曲線。從圖5可見：φ在0°～50°內(nèi)變化時，路堤表面的豎向位移變化曲線并沒有較大的變化，說明改變φ對拓寬后路基表面豎向位移的變化影響效果并不明顯。另外，從圖5(b)可見：最大豎向位移隨φ的變化而呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，在φ為30°時達到最小值。

對比圖4與5可見：c增大新拓寬路堤的豎向變形明顯變小，改變φ則改變很小。因此，改變填料的c比改變填料的φ可以取得更明顯的效果。另外，對于新填路堤應選擇具有一定黏聚力和內(nèi)摩擦角的填筑材料，就本算例而言，c在60 kPa以上，φ在30°左右，在此基礎上，過分強調(diào)增加填料的抗剪強度c和φ以提高其抵抗變形的能力意義不大。

2.4 土工格柵的應用對附加變形的影響

土工格柵具有強度高、延伸率低、穩(wěn)定性高等優(yōu)點，其加筋效果要好于土工布，在道路工程中得到廣泛的應用。將土工格柵應用于土體中，可增強地基承載力，對提高路堤的整體穩(wěn)定性、減小工后不均勻沉降具有一定的作用。

強迫癥(obsessive-compulsive disorder,OCD)是一種以反復出現(xiàn)的強迫思維、強迫動作或儀式行為為主要臨床特點的神經(jīng)癥。強迫癥是一種相當常見的精神疾病,Kessler等發(fā)現(xiàn)強迫癥在嚴重神經(jīng)癥中約占50%。強迫癥的病因目前仍不清楚,但越來越多的證據(jù)表明強迫癥有一些具體的神經(jīng)生物學基礎,這其中就包括遺傳學部分。

2.4.1 土工格柵的層數(shù)對附加變形的影響

土工格柵層數(shù)按無土工格柵、1層土工格柵、2層土工格柵和3層土工格柵等4種工況下進行數(shù)值計算和對比分析。第1層位于碎石換填層與新填路堤的交界處，然后每隔100 cm向上鋪設1層。不同加筋層數(shù)下拓寬路基表面豎向位移值其變化曲線如圖 6所示。

圖6 不同加筋層數(shù)下路基表面豎向位移曲線圖Fig.6 Vertical surface displacement of sub grade with different reinforcement layers

從圖6可見：1層加筋后路基表面的豎向位移曲線比無加筋時有所減小，而1層格柵加筋相對于無加筋時，經(jīng)計算知其最大豎向位移減小 4.58%，說明土工格柵的設置在一定程度上減小差異沉降；鋪設2層和3層土工格柵相比無加筋時，其最大豎向位移分別減小5.02%和5.30%。4種工況下新路肩到最大沉降點的坡度變化率分別為 0.149%，0.142%，0.141%和0.141%，前后坡度變化率的差值分別為 0.007%，0.001%和0。

因此，鋪設1層土工格柵能夠在一定程度上減小新老路堤間的不均勻變形，鋪設2層或更多層土工格柵對減小路面的不均勻沉降并不明顯。土工格柵的鋪設加強原地面對填土的約束，避免路基頂部有限深度范圍的填土出現(xiàn)局部沉降滑動，降低路基頂面和路面結(jié)構(gòu)所受拉應力和剪應力；同時在縱向形成支承剛度逐漸過渡的結(jié)構(gòu)，使得路基頂面沉降趨于均勻，延長產(chǎn)生非均勻沉降變形長度，達到降低路表縱坡坡率變化的目的。

2.4.2 土工格柵的模量對附加變形的影響

土中的加筋必須能承擔一定的拉力才能發(fā)揮作用，因此，加筋的彈性(抗拉模量)對加筋效果有一定的影響。在碎石換提與新路堤之間鋪土工格柵，并改變土工格柵的彈性模量E為2，10，20和38.7 GPa進行對比分析，路基表面豎向位移值其變形曲線如圖 7所示。

圖7 不同加筋模量下路基表面豎向位移曲線圖Fig.7 Vertical surface displacement of sub grade with different reinforced elastic moduli

鋪設土工格柵網(wǎng)后可降低土體內(nèi)的垂直應力，體現(xiàn)擴散應力行為，即提高土體變形能力(回彈模量)。土體內(nèi)垂直應力減少，路基壓縮沉降量降低，從而降低土體和路面產(chǎn)生拉裂破壞的可能性。從圖7可見：土工格柵的彈性模量越大，則路基表面的豎向位移越小，與不加筋的路基表面豎向沉降相比，2 GPa和10 GPa的豎向變形更大，說明在路堤高度較大時，采用土工格柵的模量較小可能會導致更大路面的不均勻沉降；當路基彈性模量大于20 GPa后，拓寬路基表面的豎向位移比無筋時是分別減小 1.02%和 4.57%，提高土工格柵的彈性模量對改善拓寬路基表面的變形功效并不明顯，但可以提高新填路堤的整體穩(wěn)定性。

結(jié)合 Geo-slope軟件分析本工程的穩(wěn)定性，土工格柵對路基穩(wěn)定性的影響如圖8所示。從圖8可見：在路基下部(二階邊坡處)設置土工格柵，由于土工格柵的加強作用，最危險滑動面位置由路基下部轉(zhuǎn)移到路基上部，路基的穩(wěn)定安全系數(shù)由1.025提高到1.432。在路基中鋪設土工格柵對于減小路面的變形效果不明顯，但能有效提高新填路堤穩(wěn)定安全系數(shù)及路堤的整體穩(wěn)定性。

圖8 土工格柵對路基穩(wěn)定性的影響Fig.8 Influence of geo grid on embankment stability

3 計算結(jié)果與監(jiān)測值的對比

選取拓寬截面最大的斷面進行數(shù)值分析。有限元計算基本假定與計算假定相同，各填筑材料的物理力學指標采取表1和表2中的計算參數(shù)，拓寬路堤的幾何參數(shù)如圖1所示。斷面地基深層水平位移的計算值與實測值如圖9所示。

從圖9可見：地基的計算值與實測值存在一定的誤差，源于計算簡化模型與實際地質(zhì)情況的差異、計算值讀取的差誤、觀測儀器的誤差等，但是，計算值與監(jiān)測值在地表水平位移的變化趨勢是一致的，因此，采用DP非線性彈塑性本構(gòu)模型分析高速公路拓寬工程填筑材料影響新老路堤變形特性，計算模型正確及計算結(jié)果可靠。

圖9 地基深層水平位移監(jiān)測值與計算值對比Fig.9 Comparison between observation values and calculated values of horizontal displacement of deeper level groundsill

4 結(jié)論

(1) 壓縮模量高、容重力小的填筑材料能有效改善新老路堤的相互作用及新路堤的變形形狀，減少新老路堤不均勻變形、差異沉降。

(2) 填筑體的壓縮模量與老路基邊坡的比值直接影響拓寬路基表面的位移均勻變形、差異沉降、橫坡坡度比。

(3) 新老路堤豎向位移隨c增大而先變大后變小，而當φ為0°～50°時，表面的豎向位移變化小，最大豎向位移隨φ先減小后增大，且最大變形在拓寬后路基的中心處。

(4) 加鋪彈性模量高、數(shù)量一定的土工格柵對減少新老路堤豎向變形效果并不明顯，但在一定程度上能減小新老路堤的不均勻變形，減少差異沉降，并有效提高新填路堤的整體穩(wěn)定性。

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