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公路路基拓寬差異沉降機(jī)理及其處置措施效果分析

文檔作者：陽雪文檔來源：中鐵四局集團(tuán)第一工程有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月30日
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2011年第6期(總181期) 安徽建筑
路路基拓宣差昱沉降機(jī)理及其處置措施效果分析
Settlement Mechanism of Roadbed Widening Diferences and its Efect of Disposal Measures
陽 雪 (中鐵四局集團(tuán)第一工程有限公司，安徽合肥230041)
摘要：通過建立新老路基沉降機(jī)理的有限元分析模型計算得出：新老路基存在不協(xié)調(diào)變形，新路基對老路基形成上覆壓力和負(fù)摩阻力會影響老
路基，導(dǎo)致老路基也隨著新路基的變形而沉降，不能將老路基或者老路路面結(jié)構(gòu)假定為固定邊界。選擇輕質(zhì)填料、使用土工格柵能夠很好的改善
新、老路基的不協(xié)調(diào)變形；對新老路基不協(xié)調(diào)變形處治措施的選擇具有一定的指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：有限元；新路基；老路基；固定邊界；土工格柵
中圖分類號：U416．1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1007—7359(2011)06-0152-03
1 概述
老路的加寬改建一直存在著如何處治新老路基結(jié)合部
這個關(guān)鍵問題，它將直接影響路基的沉降和整體穩(wěn)定。老路基
經(jīng)過多年運(yùn)營，沉降已基本完成，新路基則由于固結(jié)等原因產(chǎn)
生較大的沉降，導(dǎo)致新老路基存在差異沉降，通常在拓寬路面
開放交通后的一段時間內(nèi)，在與舊路面結(jié)合部形成大量縱向
裂縫，而如果新老路基差異沉降過大或施工過快，易在結(jié)合部
產(chǎn)生滑動剪切面，導(dǎo)致路基整體失穩(wěn)。為減少新老路基的不均
勻沉降和提高新路基的穩(wěn)定性，使應(yīng)力的傳遞更加合理，新老
路基的結(jié)合處常采用如下措施：沿老路邊坡開挖臺階；用輕質(zhì)
材料填筑，如粉煤灰、二灰土、SLM；砂礫填筑拓寬路基擋土墻
背，地基換填砂礫、碎石、灰土等；土工格柵、土工網(wǎng)、土工格
室、土工膜等加筋處理；拓寬部分高填方路段設(shè)置矮墻或反壓
護(hù)道。本文針對處治新老路基結(jié)合部通常使用的處理措施的
特點(diǎn)，通過ANSYS有限元軟件計算，分析新老路基的沉降機(jī)
理，并證實(shí)上述處治措施對減小新老路基不均勻沉降的有效
性。
2 新老路基沉降機(jī)理分析模型的建立
2．1模型的基本假定
①將新路基和地基視作各向同性的線性粘彈性材料。
②新老路基在長度方向及地基在深度方向均為無限大。
③老路基為各向同性均勻彈性材料，以材料參數(shù)彈性模
量E與泊松比 表示，且各層材料參數(shù)為常數(shù)。
④層間接觸條件為完全連續(xù)接觸。
⑤認(rèn)為路面體系為小變形且只考慮新老路基自重的影
響。
⑥新老路基屬于平面應(yīng)變問題。
2．2新老路基沉降機(jī)理分析模型
有限元計算模型的幾何參數(shù)為：老路基高度為5m，寬度
為lOm，坡度比為I：1．5。新路基在老路的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓寬和
加高，新老路基拼接時老路基進(jìn)行臺階式開挖，拓寬后的路基
收稿日期：2011—06—15
作者簡介：陽雪(1973一)，男，湖北廣水人，畢業(yè)于長沙鐵道學(xué)院土木
工程專業(yè)，本科，高級工程師。
地基不同深度的彈性模量值 表1
材料的屬性參數(shù) 裹2
注：括號內(nèi)為卸載后的彈性模量值
頂面寬度為18m，高度為6m，路基地基土范圍為新路基坡腳各
向外延伸5m，深度為8m，新老路基的搭接長度為1．5m。
土體按照Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則進(jìn)行分析；土工格柵與
新填土是通過接觸面進(jìn)行相互作用，土工格柵材料采用繩索單
元(cable element)進(jìn)行模擬，假定與土體之間無相對位移。坐標(biāo)原
點(diǎn)定在老路橫斷面路堤底面的中點(diǎn)。利用重力場模擬地基土的
初始應(yīng)力狀態(tài)，采用較大的參數(shù)值模擬老路路基的先期固結(jié)。模
型邊界條件為：底部采用位移邊界條件，即水平和垂直方向的位
移均約束，側(cè)面僅水平方向位移約束。地基土彈性模量的取值見
表1(20m以下考慮為無窮大)，各材料參數(shù)見表2。有限元模型
的計算采ANSYS軟件，得到的新老路基頂面沉降變形如圖1所
示。
對于拓寬公路，沉降包括地基沉降和新老路基的沉降，由
圖l可見：新老路基明顯存在不協(xié)調(diào)變形。新路基對老路基形成
上覆壓力和負(fù)摩阻力會影響老路基，導(dǎo)致老路基也隨著新路基
的變形而沉降。路基的變形分橫向(橫斷面)和縱向(縱斷面)變
形，橫向變形又包括豎向沉降變形和側(cè)向冰平向)位移。拓寬路
基頂面的最大沉降出現(xiàn)在拓寬路基頂面靠邊坡一側(cè)。不難發(fā)現(xiàn)，
將老路基或者老路路面結(jié)構(gòu)假定為固定邊界，只分析新路基的
變形，將此變形作為拓寬所產(chǎn)生的差異沉降是不合理的。實(shí)際
上，新路基荷載施加以后，可以通過老路邊坡將部分荷載傳遞給
安徽建筑 2011年第6期(總181期)
距老路堤橫斷面底面中線的距離(m)
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圖1 新、老路基頂面沉降變形圖
距老路堤橫斷面底面中線的距離(m)
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圖2 采用輕質(zhì)填料二灰土填筑新拓寬路與黃土填筑時
路基頂面總沉降 較
距老路堤橫斷面底面中線的距離(m)
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圖3 路基頂面沉降曲線圖
距老路堤橫斷面底面中線的距離(m)
圖4 新老路基重度差異對路基頂面沉降的影響
圖5 沉降管沉降曲線比較圖
沉降管
沉降管
沉降管
沉降管
沉降管
沉降管
沉降管
老路基，從而使老路基及老路基以下的地基發(fā)生壓縮變形和固
結(jié)變形；另外，新路基發(fā)生沉降以后，通過界面間的負(fù)摩阻力促
使老路基也發(fā)生變形。通過現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，拓寬工程中很多路
面病害發(fā)生在老路部分，其原因就是由于拓寬路基的沉降而使
得老路基發(fā)生連鎖反應(yīng)，產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形。故在有限元建模時，
將老路基和老路路面結(jié)構(gòu)視為固定邊界，不僅不能準(zhǔn)確反映拓
寬路基的變形狀況，更嚴(yán)重的是忽略了拓寬工程的重要病
害——老路路面結(jié)構(gòu)損壞。
3 處治措施效果分析
3．1用二灰土作路基填料
圖2為采用輕質(zhì)填料二灰土填筑的新拓寬路與黃土填筑
時路基頂面總沉降比較曲線。
由圖2可見，輕質(zhì)路堤由于單位體積重量的減輕，可以明
顯地減少新拓寬路基的沉降，對老路基的附加應(yīng)力影響也減
少，但沉降突變點(diǎn)有向外側(cè)(即新拓寬路邊坡方向)移動的趨勢，
這就表明，縱向裂縫可能會向外移動。
3．2老路基土工格柵加筋
為簡單起見，假設(shè)地基不發(fā)生豎向位移(即不發(fā)生沉降，僅
有側(cè)向位移)，這樣可以更方便地分析邊坡開挖及拓寬路基加
筋的作用機(jī)理。土工格柵設(shè)5層，當(dāng)作接觸面單元處理。計算結(jié)
果如圖3所示。
由圖3可以看到，開挖臺階對于改善路基的沉降作用不
是很明顯(開挖臺階后增加了新填土的自重)，只有與加筋結(jié)合
起來，才能起到降低沉降的作用，但是，開挖臺階可以改善新老
路基交接面的結(jié)合狀況，增加了結(jié)合面的摩擦系數(shù)，使他們更
好地咬合，這樣，新拓寬路基沿老路邊坡的抗滑力增大，出現(xiàn)裂
縫的可能性隨之減小。圖4為新老路基重度不同對路基頂面沉
降的影響圖?！袄?2／新16”表示老路基土體重度為22kN／m，新
路基土體重度為16kN／m。
由圖4可見，當(dāng)拓寬路基填料的重度(密度)大于老路基的
重度時，新老路基的沉降差異比較大，而當(dāng)兩者重度相差不大
時，差異較小，這說明，如不是采用輕質(zhì)填料，拓寬路基最好采
用與原有路堤相同且符合要求的填料。我國西部地區(qū)往往為節(jié)
省資金而直接就地取材，應(yīng)該注重材料的選擇，特別是對于二
級及以上等級的公路。拓寬公路出現(xiàn)病害后的維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用往
往很高，因此要對路基填料進(jìn)行合理設(shè)計、控制。目前，國內(nèi)外
對土工材料加筋機(jī)理及效果的研究結(jié)果表明：存在最佳的加筋
層數(shù)及加筋層間間距；加筋位置靠近路堤底部，有利于土工格
柵發(fā)揮其抗拉性能，能有效地抑制各項位移的發(fā)展，但對安全
系數(shù)的提高不大，而在路堤內(nèi)部(中部)加筋，能有效提高路基整
體穩(wěn)定性，但對位移矢量的發(fā)展控制效果不明顯，因此，最好在
路堤底部和中部同時加筋；土體或其他填料的壓實(shí)度越高，加
筋效果越好。
4 試驗(yàn)路段工程實(shí)例驗(yàn)證
4．1案例概況
■—●一
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交
通
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程
研
究
與
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用
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建
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