高速公路路基拓寬不均勻沉降數(shù)值分析

鄭亞萌

（中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司,北京 100195）

0 引言

高速公路的改造隨著交通運(yùn)輸需求的增加，變得越來越受重視。在實(shí)際工程中，由于交通負(fù)荷和承載能力的不平衡，對于現(xiàn)有高速公路的改造往往需要進(jìn)行路基拓寬。然而，路基拓寬可能會引起不均勻沉降問題，給道路使用和維護(hù)帶來一系列的挑戰(zhàn)。路基沉降是路面或路基在使用過程中發(fā)生下沉的現(xiàn)象，不均勻沉降是指沉降過程中出現(xiàn)的空間分布不均勻，即不同路段或不同位置的沉降程度不同。這種不均勻沉降會導(dǎo)致路面出現(xiàn)凹陷、裂縫等問題，對行車安全和道路使用壽命產(chǎn)生嚴(yán)重影響。賈寶新[1]基于有限差分原理建立三維有限元數(shù)值計(jì)算模型對公路改擴(kuò)建導(dǎo)致新老路基之間差異沉降的因素進(jìn)行了探討。研究發(fā)現(xiàn)新路基土的彈性模量對沉降影響較小，在實(shí)際工程中新路基土的彈性模量通常較高，具有較好的回彈性能，可以一定程度上抵消荷載引起的沉降。劉彬[2]通過數(shù)值模擬的方式，研究立體改擴(kuò)建道路橋墩與高填方路基交叉影響。研究結(jié)果顯示，拓寬路基最大沉降發(fā)生在荷載形心處，通過地基處治可以減少拓寬路基差異沉降和立體層橋墩位移。

數(shù)值分析方法廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中，用以解決高速公路路基拓寬不均勻沉降的問題。通過建立數(shù)學(xué)模型和采用有限元等數(shù)值方法，可以模擬和分析拓寬后路基的力學(xué)行為，預(yù)測沉降的分布和程度。數(shù)值分析方法可以考慮復(fù)雜的土體和路基結(jié)構(gòu)特性，同時(shí)可以模擬各種荷載條件下的變形和應(yīng)力分布，通過合理選擇數(shù)值方法和參數(shù)，模型驗(yàn)證與實(shí)測數(shù)據(jù)或其他已有可信數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，提高檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪m用性和準(zhǔn)確度。李駿[3]基于山東省內(nèi)黃泛平原高速公路路基拓寬背景，提出了一種名為分部拓寬法的黃泛區(qū)路基拓寬理論。該理論采用分部填筑法和智慧型土工合成材料與北斗系統(tǒng)相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)了對路基變形的內(nèi)外聯(lián)合監(jiān)測，并通過輕質(zhì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具建立了拓寬路基的變形預(yù)測方法，而分部拓寬理論可以提升高速公路改擴(kuò)建的技術(shù)水平，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本，并為道路病害的處置和預(yù)防提供科學(xué)決策支撐。肖杰[4]以復(fù)合地基沉降影響因素分析為基礎(chǔ)，提出了一種優(yōu)化的復(fù)合地基設(shè)計(jì)方案，并利用有限元分析軟件對不同樁端持力層剛度條件下的復(fù)合地基處治效果進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案能夠有效控制地表和路基的沉降，并降低新舊路基之間的差異沉降。付建軍[5]為了應(yīng)對堤防路基改擴(kuò)建工程中的實(shí)際問題，采用離散元模型模擬研究在不同的加載位置下新老路基拼接處的不均勻沉降情況。研究結(jié)果表明，該離散元模型能夠有效模擬實(shí)際情況下新老路基拼接處的沉降問題。

該文旨在通過數(shù)值分析研究高速公路路基拓寬引起的不均勻沉降問題。通過該研究，可以為高速公路改造工程提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)，準(zhǔn)確預(yù)測不均勻沉降的程度和分布，有助于合理規(guī)劃工程設(shè)計(jì)和施工措施，降低沉降引起的不良影響，保障路基的穩(wěn)定性和道路的安全性，為相關(guān)領(lǐng)域的工程實(shí)踐和學(xué)術(shù)研究提供有益的參考。

1 高速公路路基拓寬路基沉降機(jī)理

路基沉降是土體固結(jié)行為的表現(xiàn)。土體的力學(xué)行為可以使用固－液－氣三相模型來描述，其中固結(jié)是指土體中氣相空間不斷減少，固相成分逐漸致密，而液相逐步從土體中排出的過程。固結(jié)沉降可分為三類：瞬時(shí)沉降、主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降。瞬時(shí)沉降是指荷載施加之初，土體在極短時(shí)間內(nèi)迅速向四周位移，高度減小，此時(shí)土體尚未釋放孔隙水壓力；主固結(jié)沉降發(fā)生在時(shí)間累積和荷載不斷提高的過程中，大部分孔隙水壓力得以釋放，土體被壓縮而變形；次固結(jié)沉降發(fā)生在荷載施加完畢后，土顆粒間的接觸出現(xiàn)錯(cuò)動和輕微調(diào)整，孔隙水壓力繼續(xù)釋放，土體發(fā)生蠕變變形。

在高速公路改擴(kuò)建過程中，新老路基的沉降過程在時(shí)空上不同，導(dǎo)致了兩者間的差異沉降。對于老路基來說，經(jīng)過多年服役，其主要沉降階段已結(jié)束。在改擴(kuò)建活動介入后，新路基的建設(shè)給了老路基附加應(yīng)力，導(dǎo)致老路基發(fā)生一定程度的壓縮固結(jié)。改擴(kuò)建工程完畢后，老路基再次投入使用，交通荷載的循環(huán)積累以及與新路基的拼接導(dǎo)致老路基第三階段沉降的出現(xiàn)，而對于新路基來說，在填筑建設(shè)中土體基本達(dá)到致密，完成了新路基第一階段的沉降。改擴(kuò)建工程完畢后，新路基投入使用，承受交通荷載的循環(huán)積累和自身的蠕變變形，導(dǎo)致新路基第二階段沉降的發(fā)生。

2 工程概況及計(jì)算模型建立

2.1 工程概況

某高速公路擴(kuò)建工程地下水平均埋深約為3 m，基巖深度較大，土層組合多樣且復(fù)雜，包括砂土、黏土、粉土等。該擴(kuò)建工程路線全長約142.69 km，原路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬24 m。在對原有道路進(jìn)行加寬處理時(shí)，采取了開挖臺階的方式拼接新老路基，加寬后路基邊坡坡率為1 ∶1.5。根據(jù)測量結(jié)果，繪制出老路基施工前沉降變形情況，如圖1 所示，可以看出老路基的沉降量非常小，僅為0.026 mm，這一測量結(jié)果表明，在此段時(shí)間內(nèi)老路基的沉降情況相對較穩(wěn)定，沒有明顯的變化，說明老路基的承載能力良好，并且滿足當(dāng)前的交通和荷載條件下的需求。

圖1 老路基施工前沉降變形

2.2 有限元模型建立

有限元計(jì)算在公路拓寬工程差異沉降分析中是一種常見的方法，可以預(yù)測和評估土體沉降情況。然而，在進(jìn)行分析時(shí)存在一些難題。一方面土體的本構(gòu)關(guān)系可能非常復(fù)雜，不同區(qū)域甚至不同層次的土體表現(xiàn)出不同的力學(xué)行為。準(zhǔn)確地描述土體的本構(gòu)關(guān)系對于有限元模型的建立至關(guān)重要，但缺乏大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可能導(dǎo)致模型的不確定性，從而影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。另一方面，土體和結(jié)構(gòu)之間的接觸面會發(fā)生變化，并且受到邊界條件等復(fù)雜因素的影響。準(zhǔn)確建立接觸面參數(shù)和處理復(fù)雜的邊界條件是保證有限元計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。因此，為了提高準(zhǔn)確性，可以利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)或現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反分析，進(jìn)一步驗(yàn)證和修正計(jì)算模型和參數(shù)，以確保分析結(jié)果的可靠性。使用ABAQUS 進(jìn)行數(shù)值模擬，可以全面評估高速公路路基拓寬不同寬度的承載能力、變形特性和穩(wěn)定性，通過模擬不同寬度下的路基，可以獲取相關(guān)的參數(shù)，例如沉降量和變形情況等，可以更全面地評估工程的可行性和安全性。如圖2 所示，給出了該文的計(jì)算模型簡圖。

圖2 計(jì)算模型簡圖

為了方便計(jì)算，在建立有限元分析模型時(shí)，一般會進(jìn)行一些假設(shè)和簡化，以簡化問題并提高計(jì)算效率。以下是該文假設(shè)和簡化情況：

平面假設(shè)：假設(shè)路基沿著道路縱向無限延伸，把問題簡化為二維平面問題；

土體性質(zhì)假設(shè)：將路基視為各向同性的、具有彈性的理想構(gòu)造物；

荷載假設(shè)：假設(shè)路面各層的荷載等效于1 m 的填土，設(shè)置重力荷載，以便于分析路基沉降關(guān)系。

邊界條件假設(shè)：地基底面受水平和垂直方向的約束，但僅在地基左右兩側(cè)的水平方向上受約束。地表假設(shè)是可滲透的邊界，其余部分是不可滲透的邊界。這樣的邊界條件假設(shè)可以簡化模型，并使計(jì)算更容易進(jìn)行。

2.3 計(jì)算參數(shù)選取

根據(jù)工程路段地勘報(bào)告和土工試驗(yàn)報(bào)告，確定了拓寬路段地基土主要為粉質(zhì)黏土。根據(jù)表1 中的材料參數(shù)取值，可以精確地定義所選模型的特性。

表1 道路結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)取值

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 不同拓寬寬度對路基沉降量的影響

如圖3 所示，給出了不同拓寬寬度路基沉降曲線變化圖，可以觀察到沉降變化曲線的變化規(guī)律呈“勺”型，且隨著路基拓寬寬度的增加，這種勺形特征將更加明顯。通過觀察曲線趨勢可以發(fā)現(xiàn)，豎向位移沉降量與路基距離老路基中心線的距離呈正線性關(guān)系，且這種關(guān)系呈單調(diào)遞增，與老路基中心線距離越遠(yuǎn)，路基的豎向位移沉降量就越大。當(dāng)距離老路基中心線的達(dá)到20 m 時(shí)，在新路基的路肩位置會出現(xiàn)最大的沉降值。這些結(jié)果的取得，對設(shè)計(jì)、評估路基工程縱向變形和沉降都具有十分重要的意義。

圖3 不同拓寬寬度路基沉降曲線變化圖

3.2 不同拓寬寬度對路基最大差異沉降影響

根據(jù)圖4 所示的不同拓寬寬度路基最大差異沉降曲線變化圖，可以觀察到新老路基的最大差異沉降與加寬寬度近乎呈線性關(guān)系。隨著路基拓寬寬度的增加，最大的差異沉降也逐漸增大。當(dāng)路基總加寬以10 m、12 m、14 m和16 m 加寬時(shí)，對應(yīng)的最大差異沉降分別為3.97 cm、4.91 cm、6.06 cm 和7.78 cm。加寬16 m 的路基與加寬10 m 的路基相比，最大差幅增加了49.3%。

圖4 不同拓寬寬度路基最大差異沉降曲線變化圖

在路基加寬寬度增加時(shí)，路基頂面的沉降變形顯著增大。當(dāng)加寬寬度到16 m 時(shí)，導(dǎo)致不均勻沉降量到達(dá)最大值，因此在進(jìn)行高速公路路基加寬時(shí)，應(yīng)采取嚴(yán)格的沉降控制技術(shù)，確保土體的壓實(shí)度和路基穩(wěn)定性，以保證道路平整度和使用壽命。

4 結(jié)語

該文通過數(shù)值分析方法對高速公路路基拓寬不均勻沉降問題進(jìn)行研究，并得出以下結(jié)論：

（1）路基拓寬寬度增加，沉降曲線顯著呈“勺”型變化，豎向位移沉降量與距離老路中心線的距離正相關(guān)，離中心線越遠(yuǎn)，豎直位移越大，最大沉降可能出現(xiàn)在新路基的路肩位置。

（2）新老路基的最大差異沉降與路基加寬寬度呈線性關(guān)系。相對于路基加寬10 m，加寬16 m 的最大差異沉降增加了49.3%。在路基設(shè)計(jì)中需充分考慮路基加寬寬度對差異沉降的影響，合理選擇路基加寬寬度，采取嚴(yán)格的沉降控制技術(shù)，以確保路基的穩(wěn)定性和安全性。