市政道路改擴建工程路基穩(wěn)定性研究

何小龍 （中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

1 引 言

隨著我國城市化水平不斷提升，舊有市政道路越來越難以滿足日常需求，使得許多市政道路急需改擴建，目前已有不少學者做了相關(guān)研究。黃琴龍等[1]通過足尺試驗與有限元軟件模擬的方法，分析了道路經(jīng)過改擴建后的新路基與舊有路基的差異變形對道路結(jié)構(gòu)的影響；付海峰等[2]通過數(shù)值模擬的方法，分析了加樁對改擴建后軟土地基的沉降改善作用，并將模擬分析結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行對比，為工程實踐提供了寶貴資料；翁效林等[3]使用土工離心機模型試驗，對改擴建后的新建路基與舊有路基的差異沉降進行了分析，得出了其差異沉降的影響因素，并給出了改善建議；楊廣慶等[4]通過數(shù)值分析方法，研究了不同加寬方式對改擴建工程后的地基位移與路基沉降的影響，并得到了特征規(guī)律，為工程實踐提供了參考；沈立森等[5]通過使用有限元方法，分析了改擴建前后的地基表面附加位移的變化規(guī)律，并對土工格柵加筋的技術(shù)進行了分析，驗證了該技術(shù)的工程實用性；鄧衛(wèi)東等[6]采用簡化畢肖普法，對多種工況進行了分析，得到了不同等級的道路在各種工況下的路基穩(wěn)定性安全系數(shù)；劉光明[7]通過對國內(nèi)外的實際工程案例進行分析，對軟土地基上市政道路改擴建后新建路基與舊有路基差異沉降成因進行總結(jié)，并提出了防治措施；傅珍等[8]通過有限元方法建立了計算模型，對改擴建工程后的路基差異沉降特性進行了分析，并總結(jié)得到了其影響因素以及影響規(guī)律；王家全等[9]結(jié)合實際道路改擴建工程，通過使用現(xiàn)場試驗與數(shù)值模擬方法相結(jié)合，分析了改擴建工程后的路基位移及應(yīng)力變化規(guī)律。

鑒于此，本文通過使用有限元軟件對市政道路改擴建工程路基的穩(wěn)定性影響因素、影響規(guī)律和控制技術(shù)進行了分析。

2 工程概況

本文針對湖北省某市政道路改建工程進行研究，該工程項目地處丘陵地帶，地形較復(fù)雜，且工程項目區(qū)域內(nèi)水系復(fù)雜，地下水系發(fā)達，表面徑流受降水影響較大。本次改建將對舊有道路進行路基加寬，形式包括單側(cè)加寬、雙側(cè)加寬與新建等形式。根據(jù)地勘資料，該市政道路改建工程所在地區(qū)的土體參數(shù)如表1所示。

土體參數(shù)表 表1

3 三維有限元模型

本文使用有限元軟件建立了路基穩(wěn)定性研究的有關(guān)模型。為了簡化計算，將道路簡化為二維模型。根據(jù)其對稱性，本研究選取右側(cè)路基進行建模分析，為了排除邊界效應(yīng)，模型寬度方向設(shè)置為80m，深度方向設(shè)置為50m，模型共計單元數(shù)8578個，節(jié)點數(shù)19772個，左右兩側(cè)及底部邊界設(shè)置為固定邊界，上側(cè)邊界設(shè)置為自由邊界，模型示意圖見圖1。

圖1 模型示意圖

4 路基穩(wěn)定性影響因素分析

本文根據(jù)實際工程，選取了包括路基坡率、路基加寬寬度和路基填筑高度在內(nèi)的三個因素進行模擬，分析其對路基穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

4.1 路基坡率對路基穩(wěn)定性的影響

根據(jù)工程實際，選取了典型斷面作為模型的簡化原型，簡化后的路基模型寬14 m，填高8m，并設(shè)置1:0.5、1:1.0、1:1.5與1:2.0四組坡率進行對照分析。路基坡率對路基各工程性質(zhì)的影響規(guī)律見圖2。

圖2 不同坡率路基土體工程特性變化規(guī)律

由圖2可以發(fā)現(xiàn)，整體上，隨著路基坡角的放緩，邊坡的安全系數(shù)逐漸增大。雖然坡率由1:0.5放緩至1:1.5時，邊坡各個方向的位移均隨著路基坡角的放緩而增大，但邊坡的安全系數(shù)得到了較大提升。而當坡率放緩至1:2時，各個方向的位移均大幅度降低，且穩(wěn)定性安全系數(shù)達到最大。

4.2 加寬寬度對路基穩(wěn)定性的影響

根據(jù)工程實際，本節(jié)同樣選取了典型斷面作為模型的簡化原型。簡化后的路基模型，舊有道路路基寬度取14m，高度取8m，坡率取1:1.5，并設(shè)置單側(cè)加寬寬度6m、8m、10m和12m4組加寬寬度進行對照分析。路基加寬寬度對路基各工程性質(zhì)的影響規(guī)律見圖3。

圖3 不同加寬寬度路基土體工程特性變形規(guī)律

由圖3（a）、（b）可以發(fā)現(xiàn)，舊有道路在改擴建后，道路中心受到施工過程中的側(cè)向擠壓，在路基頂面出現(xiàn)了隆起，且路基頂面的最大差異沉降與路基加寬寬度成正相關(guān)，當路基單側(cè)加寬寬度為6m時，最大差異沉降量為6.1cm；單側(cè)加寬寬度為8m時，最大差異沉降量為8.3cm，是加寬6m時的1.36倍；單側(cè)加寬寬度為10m時，最大差異沉降量為10.2cm，是加寬6m時的1.67倍；單側(cè)加寬寬度為12m時，最大差異沉降量為11.7cm，是加寬6m時的1.92倍。

由圖3（c）可以發(fā)現(xiàn)，舊有道路中心附近的地基由于受到施工過程中的側(cè)向擠壓也出現(xiàn)了隆起現(xiàn)象，且隨著路基寬度的增加，路基下地基的最大沉降也隨之增加。當路基單側(cè)加寬寬度為6m時，新建道路路基的最大沉降量為5.5cm，是路肩處沉降值的0.89倍；單側(cè)加寬寬度為8m時，新建道路路基的最大沉降量為7.1cm，是路肩處沉降值的0.85倍；單側(cè)加寬寬度為10m時，新建道路路基的最大沉降量為8.6cm，是路肩處沉降值的0.85倍；單側(cè)加寬寬度為12m時，新建道路路基的最大沉降量為9.7cm，是路肩處沉降值的0.83倍。因此，可以發(fā)現(xiàn)地基沉降是引起路基沉降的主要原因之一。

由圖3（d）、（e）和（f）可以發(fā)現(xiàn)，路基表面的水平位移分布形式呈“勺子”狀，且位移值隨著路基加寬寬度增加而增加；而地基表面的水平位移分布形式呈“～”狀。路基坡角處的水平位移值隨著路基單側(cè)加寬寬度增加而增加，而路肩處則不同，當單側(cè)加寬寬度從6m增加到8m時，隨著路基單側(cè)加寬寬度增加而增加，但隨著單側(cè)加寬寬度由8m增加到12m時，路肩處水平位移隨之減小。

5 結(jié) 論

本文采用有限元軟件對道路改擴建問題進行了有限元分析，得到了以下結(jié)論：

①隨著路基坡角的放緩，邊坡的安全系數(shù)逐漸增大，實際工程中可以通過將坡角放緩來提高邊坡穩(wěn)定性，且需要做好排水措施；

②改擴建工程路基的位移變形受路基加寬寬度與填筑高度影響較大，實際工程中可以通過控制路基加寬寬度來改善路基邊坡的穩(wěn)定性；

③地基沉降是引起路基沉降的主要原因之一，在實際工程中，可以通過加固地基來有效控制路基沉降。