郭艷玲 李 剛 陳 維 朱云雄 劉澤輝

（1、越秀交通基建有限公司，廣東 廣州510000 2、湖南長(zhǎng)株高速公路開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙410129）

我國(guó)早期已經(jīng)建成使用的高速公路中，由于受建設(shè)時(shí)期的社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件、技術(shù)水平及建設(shè)思想的制約，大部分是雙向四車道，部分樞紐互通匝道為單向單車道。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，早期建成的高速公路已不能完全滿足當(dāng)今交通量發(fā)展需求，交通阻塞嚴(yán)重，交通量飽和。因此高速公路改擴(kuò)建已成為公路建設(shè)中的重要工作之一，而中高速公路加寬時(shí)新老路基差異沉降就是面臨最重要的問(wèn)題之一[1-2]。

通常采用數(shù)值模擬、土工模型試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法對(duì)新舊路基差異沉降特性進(jìn)行研究，依靠這些方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者取得了豐碩的成果。錢勁松等[3]采用數(shù)值模擬的方法研究分析拓寬方式及寬度、路基高度等一些重要影響因素對(duì)新舊路基差異沉降的影響，并根據(jù)所研究的問(wèn)題給出了合理的解決措施。滕海生[4]運(yùn)用PLAXIS 有限元軟件對(duì)舊路加寬施工過(guò)程中臺(tái)階的開(kāi)挖方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析，計(jì)算各種開(kāi)挖方案下新舊路基的差異沉降，提出合理的施工方案。

在前人的研究成果之上，筆者依托湖南長(zhǎng)株高速公路改擴(kuò)建工程，借助有限元軟件，建立數(shù)值分析模型。通過(guò)對(duì)不同的加寬寬度、填筑高度、路基模量和地基模量等因素的考慮，研究新舊路基在施工過(guò)程中變形特性，同時(shí)研究加寬路基填筑對(duì)舊路基應(yīng)力和應(yīng)變特性影響。以期對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果進(jìn)行補(bǔ)充和完善。

1 工程概況

1.1 依托工程

研究依托湖南長(zhǎng)株高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目，長(zhǎng)株高速（S21）公路全長(zhǎng)41.574 公里，全線呈南北走向，主線采用四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，起于長(zhǎng)沙縣黃花鎮(zhèn)，止于與醴潭高速公路相交的龍頭鋪互通，株洲連接線止于株洲電機(jī)廠西北。項(xiàng)目地理位置示意圖如圖1 所示。

圖1 項(xiàng)目地理位置示意圖

1.2 地質(zhì)情況

擬建路線主要穿越?jīng)_積洪積平原地貌單元區(qū)、剝蝕堆積山間平原地貌單元區(qū)及剝蝕丘陵及其邊緣地貌單元區(qū)，沿線地形總體較平緩，第四系覆蓋層厚度不均，下伏巖層主要為砂巖、泥巖及燕山期侵入脈巖等，地質(zhì)情況較復(fù)雜。沿線路基的加寬方式有單側(cè)分離式、單側(cè)加寬式、雙側(cè)加寬式，地基處理方式主要是強(qiáng)夯處理，部分采用水泥攪拌樁處理。

2 有限元模型建立

本節(jié)借助midas 有限元數(shù)值模擬軟件，通過(guò)改變加寬寬度和填筑高度，研究新舊路基在施工過(guò)程中變形特性。

2.1 計(jì)算模型建立

本章數(shù)值模擬選取一個(gè)基本工況，并形成5 種對(duì)比方案，每種對(duì)比方案中包含基本工況在內(nèi)共有5 種工況。在基本工況的模型中，地基土由3 種土層組成，如圖2 所示。

圖2 計(jì)算模型

2.2 邊界條件

計(jì)算模型近似為半空間無(wú)限體，模型底部邊界采用xy 雙向位移約束，側(cè)邊界采用法向位移約束，施加重力荷載和施加均布荷載。

2.3 本構(gòu)模型及計(jì)算參數(shù)

老路基、新路基以及地基土均視為服從Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性材料。根據(jù)地勘及設(shè)計(jì)資料材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

3 差異沉降影響因素

3.1 不同填筑高度對(duì)差異沉降的影響

由于高速公路改擴(kuò)建工程受地形高低變化的影響，不同斷面會(huì)出現(xiàn)不同的填挖高度，不同高度的路堤在重力荷載的作用下，產(chǎn)生的變形是不同的。因此，路堤高度是影響路堤及地基變形的最直接的因素，就路基填土高度對(duì)新舊路基結(jié)合處差異沉降影響的研究是有必要的。對(duì)路基填土高度分別選取5.0m、7.0m、9.0m、11.0m 和13.0m 等幾種情況進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析，分別計(jì)算各種情況下拓寬路基頂面各點(diǎn)的最終沉降，并繪制成沉降曲線。在計(jì)算中仍然以半幅路基為研究對(duì)象，新路基加寬寬度為3.5m，位移云圖如圖3 所示，計(jì)算對(duì)比結(jié)果如圖4、圖5 所示。

圖3 填高變化下的位移云圖

圖4 填土高度對(duì)加寬路基沉降的影響

圖5 不同填高時(shí)差異沉降

從圖4 和圖5 中可以看出，拓寬路基不均勻沉降隨著路基填土高度的增加而增大，舊路中心的附加沉降越大。即新路基的最大沉降量和新舊路基結(jié)合處差異沉降都隨著加寬寬度的增加而逐漸的增大。同時(shí)可以看出，路基填土高度越小，拓寬路基頂面沉降曲線越接近“～”形。這是因?yàn)?，填土高度越小，新路基?duì)舊路基的影響越小，從而舊路基的附加沉降變形就越小，所以沉降曲線前段的變化比較平緩；且當(dāng)填土高度小時(shí)舊路基對(duì)新路基的沉降影響作用也較小，所以沉降曲線后段的變化也比較平緩。綜上，隨著路基高度的增加差異沉降和表面水平位移也逐漸的增加，且路基填土高度越小，加寬路基頂面沉降曲線就越接近“～”形。因此，在滿足路基得最小填土高度前提下，控制路基填土高度可以有效減小差異沉降。

3.2 不同加寬寬度對(duì)差異沉降的影響

對(duì)兩側(cè)加寬方式進(jìn)行考慮，由于路基呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，取一半路基計(jì)算，每側(cè)的加寬寬度選取分別為2.5m、3.0m、3.5m、4.0m 和5.0m 時(shí)對(duì)拓寬路基的影響。路基高度選為7m，新舊路路基邊坡都為1：1.5 時(shí)，其位移云圖如圖6 所示，并將不同加寬寬度的計(jì)算結(jié)果做如下對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果如圖7、圖8 所示。

圖6 加寬變化下的位移云圖

圖7 加寬高度對(duì)加寬路基沉降的影響

圖8 不同加寬寬度時(shí)差異沉降

由圖7 和圖8 可以看出，隨著加寬寬度的增加，加寬路基不均勻沉降越大，舊路中心附加沉降逐漸變大。即新路基的最大沉降量和新舊路基差異沉降都隨著加寬寬度的增加而逐漸的增大，且新舊路基結(jié)合處差異沉降增大較為明顯。

4 結(jié)論

4.1 從沉降、水平位移和應(yīng)力方面全面分析了拓寬路基差異沉降特性，拓寬路基的差異沉降曲線（取半幅）呈“～”形，在舊路基中心沉降最小，新路基路肩附近沉降最大，具體位置在新路基形心位置左右。

4.2 在填筑高度、路基參數(shù)和地基條件一致時(shí)，新路基的最大沉降量和新舊路基差異沉降都隨著加寬寬度的增加而逐漸的增大，且新舊路基結(jié)合處差異沉降增大較為明顯。加寬路基寬度為2.5m 時(shí)，路基頂面沉降最大15.18mm，最大差異沉降為4.73mm；加寬路基寬度為5.0m 時(shí)，路基頂面最大沉降達(dá)到2.66mm，最大差異沉降為3.99mm。因此，在滿足路基最小拓寬寬度的情況下，控制路基寬度可以有效減小差異沉降。