拓宽路基差异沉降有限元分析及控制技术研究

孙 阳 郭永建

(1.中交一公院中交瑞通路桥养护科技有限公司，陕西 西安 710075； 2.青岛国信胶州湾交通有限公司，山东 青岛 266000)

拓宽路基差异沉降有限元分析及控制技术研究

孙 阳1郭永建2

(1.中交一公院中交瑞通路桥养护科技有限公司，陕西 西安 710075； 2.青岛国信胶州湾交通有限公司，山东 青岛 266000)

针对高速公路的扩建加宽中由于旧路路基已沉降多年基本趋于稳定，而新建路基沉降时间较短，新老路基结合部位常会产生差异沉降的现象，利用有限元方法进行了模拟分析，并在此基础上，从设计上提出了对差异沉降的控制措施，为公路拓宽的设计提供借鉴。

拓宽工程，差异沉降，有限元，防治措施

近年来，随着国民经济的蓬勃发展，在已经建成使用的高速公路中，由于受经济水平及技术水平的限制，部分道路已不能满足高速公路的服务水平要求，因此，我国早期修建的高速公路均面临着扩建问题，而高速公路扩建工程中有待解决的主要问题是新老路堤拼接部位的不均匀沉降。旧路路基已沉降多年基本趋于稳定，而新建路基沉降时间较短，新老路基结合部位常会产生差异沉降，继而引起路面纵向裂缝、路基下沉等病害，将严重影响高速公路的正常运营。因此，必须从其成因上分析,把握其中的症结,寻找适宜的路基改善措施,这样才能保证高速公路路基加宽后的质量。

1 有限元计算模型的选取

1.1 几何模型的选取

有限元计算几何模型见图1。

计算选取的高速公路拓宽模型为旧路路基半幅宽度13 m，路基两侧各拓宽8 m，路堤高度为6 m，新老路堤边坡坡度1∶1.5，考虑到问题对称性，取一半结构进行研究，采用三角形单元。计算几何模型如图1所示，有限元计算模型如图2所示。

1.2 计算本构关系与计算参数的选取

由于路基填料和地基土均为理想弹塑性体，采用线性摩尔库仑准则作为计算的本构模型。结合现场试验与工程设计勘察资料，选择的模型计算参数如表1所示。

1.3 计算工况

工况一：计算没有填筑路堤时的地基自重应力场(不作为计算成果)；工况二：计算填筑旧路堤时产生的附加应力影响；工况三：计算旧路堤填筑后旧土基的固结过程，符合K0固结原理，渗透系数取10-3m/d；工况四：将工况三的计算位移结果清零，重新计算新路堤填筑后的附加应力影响；工况五：计算新地基在附加应力下的固结过程；工况六：计算工况四完成时的路堤边坡稳定性。

表1 新老路堤计算采用不同的计算参数

2 计算结果分析

计算结果显示(见图3，图4)，拓宽路堤作为附加应力作用在天然地基上产生比较大的影响，图3中的a)与b)，c)与d)分别显示了固结过程对路堤稳定性的影响要远大于路堤本身荷载的影响。图4中的数据显示新地基固结前的最大不均匀沉降为9.4 cm，固结之后的不均匀沉降增大到30.7 cm，增加值为227%。图3e)为强度折减计算后的路堤边坡总体位移图，此时的安全系数为1.4，满足设计要求，但是随着新地基固结过程的进行，这一数值显然不是固定不变的，所以在设计过程中需要对新地基进行处理。

3 拼接段沉降控制标准

根据JTG D30-2004公路路基设计规范，原有路基与拓宽路基的路拱横坡的工后增大值不应大于0.5%。此外，对于分离式路基，要求桥头容许工后沉降量Sr≤10 cm，一般构造物及过渡段容许工后沉降量Sr≤20 cm，一般路段容许工后沉降量Sr≤30 cm。

4 复合地基处理设计

当计算出的沉降量较大时，就需要采用复合地基对新路基下的软弱层进行加固，从而降低新路基的沉降量。复合地基处理方法通常有深层搅拌桩、灰土挤密桩等。深层搅拌桩适用于淤泥、淤泥质土、含水量较高的粘性土、粉土等软弱地基。主要利用深层搅拌机将水泥或石灰和地基土原位搅拌形成圆柱状，格栅状或连续墙水泥土增强体，形成复合地基以提高地基承载力，减小沉降。灰土挤密桩法适用于处理地下水位以上的湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基。采用冲击法在地基中设置灰土桩，在成桩过程中挤密桩间土，由挤密的桩间土和灰土桩共同形成复合地基。复合地基的桩长应根据地质钻孔资料，经计算后确定，一般情况下应穿透软弱层。对软土层，应在复合地基顶部设置砂砾垫层及土工格栅，以加快地基的固结速率。另外，老路基的原始边坡应开挖成台阶状，在台阶底部应铺设土工格栅，以增加横向抗拉能力[2，3]。

5 结语

随着早期建设的一批高等级公路越来越多地面临改扩建的命运，在改扩建工程中如何有效的处理改扩建工程路基的拼接以及控制差异沉降是关键问题。因此，在路基拓宽工程中应对地基处理方案进行不断比选与优化，采取最为经济合理、技术可行的方案，减小拓宽路基差异沉降。

[1] JTG D30-2004，公路路基设计规范[S].

[2] JTJ 017-96，公路软土地基路堤设计与施工技术规范[S].

[3] 柴玉卿.高速公路路基拼接时的地基处理设计与施工[J].交通科技，2005(5)：56-57.

[4] 罗建平.谈路基沉降的原因及施工中的注意事项[J].山西建筑，2013，39(3):130-131.

Finite element analysis for differential settlement and control techniques of road widening

SUN Yang1GUO Yong-jian2

(1.CCCCRuitongRoad&BridgeMaintenanceTechnologyCo.,Ltd，Xi’an710075,China;2.QingdaoGuoxinJiaozhouBayTrafficCo.,Ltd,Qingdao266000,China)

Widening the highway due to the old road embankment settlement for many years has been basically stable, and the new road embankment settlement time is short, old roadbed junction will produce uneven settlement, this process was researched using the finite element method, and based on this, from the design of the proposed control measures for the settlement of differences, to provide reference for the design of the road widening.

widening project， differential settlement， finite element， prevention measures

2014-07-15

孙 阳(1983- )，男，工程师; 郭永建(1985- )，男，博士，工程师

1009-6825(2014)27-0156-02

U416.1

A