降雨作用下新老路基變形特性的數(shù)值模擬研究

摘要：文章依托某軟土地區(qū)高速公路改擴(kuò)建工程，根據(jù)實(shí)際工點(diǎn)建立有限差分?jǐn)?shù)值模型，分析了降雨入滲條件下新老路基的孔隙水壓力和變形特性，并通過不同工況研究了降雨強(qiáng)度對新老路基滲流和變形特性的影響。得出主要結(jié)論如下：（1）在未降雨條件下，路基孔隙水壓力隨深度增大逐漸增大，在降雨的過程中，孔隙水壓力增大速率隨路基深度增加逐漸減緩，孔隙水壓力的變化趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)殡S路基深度增加逐漸減??；（2）從路基中軸線到路基邊緣處，路基表面的豎向變形呈先增大再減小的變化趨勢，最大豎向變形出現(xiàn)在新老路基分界處，路基表面的水平變形呈先緩慢增大，然后快速增大的變化趨勢；（3）降雨結(jié)束后，路基中軸線不同深度位置的孔隙水壓力和路基表面的孔隙水壓力逐漸增大，且均隨著降雨強(qiáng)度增大而明顯增大，降雨強(qiáng)度對路基淺層土體的滲流和變形特性影響較大，對路基深層土體影響較小。

關(guān)鍵詞：新老路基；降雨作用；孔隙水壓力；變形特性；數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U416.1" " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A" " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.0011

文章編號(hào)：1673-4874（2024）11-0011-03

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國高速公路總里程數(shù)和覆蓋面積迅速增加，但早期修建的高速公路由于當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件的限制，難以滿足目前對高速公路的需求，因此需在原有公路的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)建。根據(jù)大量的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，高速公路改擴(kuò)建工程在運(yùn)營期間易出現(xiàn)新老路基之間的不均勻沉降問題，導(dǎo)致新老路基過渡段道路結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力集中，引起路面開裂和路基失穩(wěn)等工程問題。

目前對高速公路改擴(kuò)建工程中新老路基不均勻沉降特性及應(yīng)對方法的研究已取得了較多成果。朱冬林等［1］依托某軟土地區(qū)高速公路路基改擴(kuò)建工程，通過大型室內(nèi)物理模型試驗(yàn)研究了新老路基的差異沉降變形、水平位移及固結(jié)特性的變化規(guī)律。王都興［2］依托某山區(qū)公路拓寬工程，利用ABAQUS軟件建立數(shù)值模型，研究了路基填筑過程中路基表面沉降和坡腳水平位移的變化規(guī)律。李剛等［3］依托長株高速公路某段改擴(kuò)建工程，利用FLAC 3D軟件建立數(shù)值模型并進(jìn)行計(jì)算，研究了拓寬寬度、填方高度、新老路基彈性模量和壓縮模量對新舊路基差異沉降的影響規(guī)律。張志遠(yuǎn)［4］依托某城市高速公路拓寬工程，建立了路基三維數(shù)值模型，研究了不同拓寬方式（單側(cè)拓寬、雙側(cè)拓寬）對路基表面沉降的影響規(guī)律。陳建波［5］利用有限元軟件建立拓寬路基模型，研究了拓寬方式、路基填筑高度和地基模量對路基最終沉降及新老路基差異沉降的影響。鄧然［6］利用ABAQUS軟件建立了路基拓寬模型，研究了新老路基差異沉降對路面平整度的影響，并提出了針對性的治理措施。袁以堂等［7］依托某高速公路改擴(kuò)建工程，利用Midas GTS軟件建立數(shù)值模型，結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究了新老路基過渡段路基沉降和路基邊坡水平位移的變化規(guī)律。駱俊暉等［8］通過拓寬路堤現(xiàn)場試驗(yàn)和有限元數(shù)值模擬研究，分析了不同加筋形式對新路堤沉降與水平位移的影響。于少博［9］依托某山區(qū)高速公路擴(kuò)建工程，建立拓寬路基的有限元數(shù)值模型，分析了擴(kuò)建過程中路堤的沉降和水平位移，研究了土工格室對路基變形的影響規(guī)律。

本文依托某軟土地區(qū)高速公路改擴(kuò)建工程，依據(jù)實(shí)際工點(diǎn)建立有限差分?jǐn)?shù)值模型，分析了降雨入滲條件下新老路基的孔隙水壓力和變形特性，并通過不同工況研究了降雨強(qiáng)度對新老路基滲流和變形特性的影響，以期對高速公路改擴(kuò)建工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1工程背景及數(shù)值模型

本文依托某軟土地區(qū)高速公路改擴(kuò)建工程，基于有限差分法，根據(jù)實(shí)際路基典型斷面建立數(shù)值模型，研究新老路基過渡段沉降特性。通過勘察及設(shè)計(jì)資料可知，研究區(qū)地層巖性組成自上而下分別為：粉質(zhì)黏土、砂土和強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖。原高速公路路基和拓寬路基均采用粉土進(jìn)行填筑。原道路路面寬度為12.0 m，為雙向雙車道，路基高度為6.0 m，擴(kuò)建后的路面寬度為36.0 m，為雙向六車道。采用雙側(cè)拓寬的方式進(jìn)行公路拓寬，老路基兩側(cè)分別加寬12.0 m。其中新老路基的坡率均采用1∶1.5。新老路基連接處通過開挖臺(tái)階進(jìn)行搭接，臺(tái)階的尺寸為1.0 m×1.0 m。

根據(jù)陳睿［10］的研究，為減少計(jì)算模型邊界對計(jì)算結(jié)果的影響，減小路基部分的計(jì)算誤差，建立模型時(shí)選取地基寬度為路基寬度的2倍，選取數(shù)值模型的尺寸為108.0 m×30.0 m×30.0 m。數(shù)值模型如下頁圖1所示。

模型的位移邊界條件設(shè)置為：模型頂面為自由邊界，模型側(cè)面施加垂直于側(cè)面的約束，限制其法向位移；模型底面施加水平和豎直方向的約束，限制其水平和豎直方向位移。初始地應(yīng)力場僅為重力場。模型的滲流邊界條件設(shè)置為：模型頂面為透水邊界，其余邊界均為不透水邊界，模型的初始孔隙水壓力場從模型頂面至底面呈線性分布，對于非飽和土的滲流，其滲透系數(shù)k與土體飽和度Sr有關(guān)，即飽和土的滲透系數(shù)為k0，可定義一個(gè)系數(shù)ks，ks=（Sr）3，則非飽和土的滲透系數(shù)為k=ks×k0。數(shù)值模型的計(jì)算參數(shù)取值如表1所示，其中新老路基填土和地基土的本構(gòu)模型均采用“摩爾-庫侖”強(qiáng)度準(zhǔn)則。

2降雨入滲對新老路基變形性能的影響

為研究降雨入滲對新老路基變形特性的影響，本文選取降雨時(shí)長36 h，降雨強(qiáng)度為17.5 mm/24 h（中雨）的降雨工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到路基中心位置的孔隙壓力隨降雨時(shí)間的變化規(guī)律（如圖2所示）。降雨后路基中軸線位置不同深度的豎向變形曲線如圖3所示。

由圖2可知，在未降雨的初始條件下，模型內(nèi)部的孔隙水壓力隨著深度的增大呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。在降雨的過程中，路基表面的孔隙水壓力增長速率最快，隨著路基深度的增加，孔隙水壓力的增大速率逐漸減緩，兩點(diǎn)之間的孔隙水壓力差值逐漸減小。在降雨時(shí)長＞12 h后，模型內(nèi)部的孔隙水壓力的變化趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)殡S著深度增加逐漸減小。

由圖3可知，降雨后，路基中軸線位置的豎向沉降變形隨著路基深度的增加呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢。當(dāng)路基深度＜5 m時(shí)，路基豎向沉降隨路基深度的增加逐漸增大，但增大速率隨著路基深度的增加逐漸減小。當(dāng)路基深度＞5 m時(shí)，路基豎向沉降隨路基深度的增加逐漸減小。在路基深度為5 m的位置，降雨引起的路基豎向沉降達(dá)到最大值，為1.81 mm。分析其原因?yàn)椋航涤旰舐坊艿接晁霛B影響，孔隙水壓力增大，土體基質(zhì)吸力減小，土體抗剪強(qiáng)度降低，變形模量減小。同時(shí)由于雨水入滲導(dǎo)致路基含水率增大，路基土體重度增大，導(dǎo)致土體自重荷載明顯增大，進(jìn)而引起路基豎向沉降變形隨路基深度的增加呈增大趨勢。隨著路基深度的增加，雨水的入滲量逐漸減小，土體抗剪強(qiáng)度降低幅度減小，重度增加減緩，路基豎向沉降變形增量不斷減小。當(dāng)路基深度＞5 m時(shí)，受到下層地基土體的約束，豎向沉降增加值隨路基深度增加呈現(xiàn)減小的趨勢。

為對降雨后路基表面的變形特性進(jìn)行分析，提取路基表面的豎向和水平變形數(shù)據(jù)?？紤]到路基結(jié)構(gòu)的對稱性，故選取半幅路基繪制降雨后路基表面的豎向和水平變形曲線如圖4所示。

由圖4可知，從路基中軸線位置到新老路基分界處，路基表面的豎向變形逐漸增大；從新老路基分界處到路基邊緣位置，路基的豎向變形逐漸減小。這是因?yàn)樾吕下坊馏w固結(jié)程度不一致，其變形模量和泊松比不同。在新老路基交界位置，由于兩側(cè)土體的不協(xié)調(diào)變形，內(nèi)部存在較多微裂隙，孔隙率較大，雨水的入滲量較大，導(dǎo)致土體的抗剪強(qiáng)度降低幅度更大，豎向變形量更大。隨著距路基中軸線距離的逐漸增大，路基表面的水平變形逐漸增大。老路基的路基表面水平變形基本相同，新路基的路基表面水平變形隨距路基中軸線距離的增大近似線性增大。這是因?yàn)槁坊诋a(chǎn)生豎向變形的同時(shí)對周圍土體產(chǎn)生擠壓作用，從而產(chǎn)生水平方向的變形。越靠近路基邊緣位置，由于更加接近臨空面，擠壓作用對路基水平變形的影響越明顯，路基的水平變形越大。

3不同降雨強(qiáng)度對新老路基的影響

為研究降雨強(qiáng)度對新老路基滲流及變形特性的影響，選取降雨時(shí)長為36 h，降雨強(qiáng)度分別為5.5 mm/24 h（小雨）、17.5 mm/24 h（中雨）、37.5 mm/24 h（大雨）三種工況進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析不同工況下路基孔隙水壓力和變形的變化規(guī)律。路基中軸線表面位置的孔隙水壓力隨降雨時(shí)間的變化曲線如圖5所示；降雨后路基中軸線位置不同深度處的孔隙水壓力曲線和路基表面的孔隙水壓力曲線如圖6所示；不同降雨強(qiáng)度工況下路基表面的豎向和水平變形曲線如圖7所示。

由圖5可知，隨著降雨時(shí)間的延長，路基表面中軸線位置的孔隙水壓力逐漸增大。在相同降雨時(shí)間的條件下，降雨強(qiáng)度越大，孔隙水壓力的增大速率越快。當(dāng)降雨強(qiáng)度為小雨時(shí)，孔隙水壓力隨降雨時(shí)間延長大致呈線性增大；而當(dāng)降雨強(qiáng)度為中雨和大雨時(shí)，孔隙水壓力隨降雨時(shí)間延長逐漸增大，增大速率逐漸減小。這是因?yàn)楫?dāng)降雨強(qiáng)度較大時(shí)，受到土體的滲透系數(shù)的限制，雨水無法完全滲入土體內(nèi)部；同時(shí)隨著降雨時(shí)間的延長，土體的飽和度增大，土體的滲透性也逐漸減小，導(dǎo)致孔隙水壓力的增大速率逐漸減小。

由圖6可知，隨著降雨強(qiáng)度的增大，降雨結(jié)束后，路基中軸線不同深度位置的孔隙水壓力和路基表面的孔隙水壓力均明顯增大，但路基的飽和深度有所不同。當(dāng)降雨強(qiáng)度為大雨時(shí)，路基中軸線位置深度＞1.4 m的部分孔隙水壓力為正值，說明該部分土體已達(dá)到飽和狀態(tài)。在降雨強(qiáng)度為小雨和中雨工況中，路基土體未達(dá)到飽和狀態(tài)，但中雨工況中路基表面位置土體已經(jīng)接近飽和狀態(tài)。當(dāng)路基深度＞5 m時(shí)，該部分路基的孔隙水壓力在不同降雨強(qiáng)度工況下差別較小，說明降雨強(qiáng)度對路基淺層土體影響較大，對路基深層土體影響較小。降雨結(jié)束后路基表面不同位置的孔隙水壓力基本相同，由于新路基土體固結(jié)程度較低，雨水更易入滲，導(dǎo)致新路基表面的孔隙水壓力略大于老路基。

由圖7可知，從路基中軸線到路基邊緣處，路基表面的豎向變形呈先增大再減小的趨勢，最大豎向變形出現(xiàn)在新老路基分界處。路基表面的水平變形呈先緩慢增大，然后快速增大的趨勢，最大水平變形出現(xiàn)在路基邊緣處。隨著降雨強(qiáng)度的增大，路基表面的豎向變形和水平變形均明顯增大。當(dāng)降雨強(qiáng)度分別為小雨、中雨、大雨時(shí)，路基表面最大豎向變形分別為2.17 mm、6.19 mm、11.48 mm，路基表面最大豎向變形位置對應(yīng)的水平變形值僅為0.05 mm左右，幾乎可以忽略不計(jì)。路基表面最大水平變形分別為1.16 mm、1.71 mm、2.02 mm，路基表面最大水平變形位置對應(yīng)的豎向變形值分別為0.98 mm、5.55 mm、11.02 mm。

綜上所述，降雨強(qiáng)度對路基的滲流和變形特性均存在較大影響，尤其對新老路基交界位置和路基邊緣位置的影響最為顯著。當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到大雨級別時(shí)，路基的飽和度、豎向沉降和水平變形均達(dá)到較大水平，對路基的服役性能造成不利影響，因此在高速公路改擴(kuò)建工程的施工與運(yùn)營期間應(yīng)重點(diǎn)注意以下幾點(diǎn)：

（1）在新路基填筑施工過程中，盡量選擇與老路基相同的路基填料，同時(shí)嚴(yán)格控制路基填筑過程中的壓實(shí)度，從而控制后期新老路基的之間的差異沉降。

（2）降雨對新老路基分界位置的影響較大，應(yīng)著重加強(qiáng)新老路基分界位置處的防水措施，也可考慮對新老路基分界位置進(jìn)行注漿加固。

（3）應(yīng)重點(diǎn)對高速公路改擴(kuò)建段進(jìn)行雨量監(jiān)測和新老路基差異沉降的監(jiān)測，當(dāng)差異沉降超過規(guī)范控制要求，應(yīng)及時(shí)采取相應(yīng)的工程措施，防止其進(jìn)一步發(fā)展。

4結(jié)語

（1）在未降雨條件下，路基中軸線位置孔隙水壓力隨深度增大逐漸增大。在降雨的過程中，孔隙水壓力的增大速率隨路基深度增加逐漸減緩，在降雨時(shí)長＞12 h后，孔隙水壓力的變化趨勢轉(zhuǎn)變?yōu)殡S路基深度增加逐漸減小。

（2）從路基中軸線到路基邊緣處，路基表面的豎向變形呈先增大再減小的變化趨勢，最大豎向變形出現(xiàn)在新老路基分界處，路基表面的水平變形呈先緩慢增大，然后快速增大的變化趨勢。

（3）隨著降雨強(qiáng)度的增大，降雨結(jié)束后路基中軸線不同深度位置的孔隙水壓力和路基表面的孔隙水壓力均明顯增大，降雨強(qiáng)度對路基淺層土體影響較大，對路基深層土體影響較小。

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作者簡介：銀花雨（1976—），工程師，主要從事試驗(yàn)檢測工作。

收稿日期：2024-05-16