新旧路基界面形式对路基加宽的影响分析

石 和 杰

(中国铁建港航局集团有限公司，广东 珠海 519070)

0 引言

近年来，随着我国社会不断发展经济实力的提高，交通运输业发展迅速，原本的路基宽度、等级已经无法满足不断发展的社会环境，必须加大路基扩建工程拼接施工的力度，这就要求我们拓展路基宽度和提升路基等级，满足社会经济持续发展的需要[1]。但是原路基已基本完成沉降过程，拓宽的新路基还会有固结沉降过程，这会使新旧路基之间出现差异沉降，影响公路的正常使用[2,3]，尤其对于软土或者软硬不均地基存在的地区，地基承载力低，原路基段即使未完成全固结，其地基土的性质也有了一定的改善，在汽车等荷载作用下，对于拓宽后的新路基将产生一定的沉降，致使拓宽前后新老路基发生不均匀沉降，进而在路面结构内部产生过大的集中应力，一旦超过路面材料本身的容许强度，路面便会发生开裂、沉陷等病害[4,5]。

现今，S356一级公路某段项目土建工程施工第01标段为路基改扩建段，并且这一改扩建段区域内路基土体主要为软土，软土地基的性能特点可能显著加剧新旧路基的差异沉降，并且极大减弱新旧路基交界面的强度。新旧路基的交界面将是人为造成的一个薄弱面，亦是差异变形显著位置。严重时，当在新填筑路基围压不够时，易沿着该薄弱面造成路基外挤、垮塌事故。因此，探究不同路基拓宽的界面形式路基加宽的沉降规律，解决新旧路基差异沉降是类似改扩建路基工程施工的一个难题。另外，新旧路基由于填筑的时间差，所受应力历史、固结程度的差异，可能进一步加剧这一过程[6]。因此，基于上述工程难题，有必要研究不同界面形式路基加宽的沉降规律，目前较为常用的两种加宽形式分别是斜坡式加宽和台阶式加宽，针对这两种常用的加宽形式，本文通过颗粒流对路基拓宽的界面形式进行数值模拟研究，总结两种界面形式路基加宽的沉降规律，可以为本项目及类似的路基加宽项目路基加宽方式的选择提供一定的参考。

1 工程实例

1.1 工程概况

本工程项目为S356一级公路某段项目土建工程施工第01标段，位于咸宁市咸安区横沟镇内，主线桩号范围K0+000～K5+600，全长5.6 km。采用双向四车道高速公路标准建设，设计时速60 km/h，整体式路基宽度20 m，分离式路基宽度19.50 m，桥设计荷载为公路Ⅰ级。主要工程量有路基挖土方73 640.2 m3，挖石方20 059 m3；涵洞为7道，本工程项目同时包含K0+000～K3+200范围内的附属路面加辅施工。路基为整体式路基，部分分离，整体式路基宽度20 m，分离式路基宽度19.50 m，路基挖土方约73 640.2 m3，路基填土方约46 136.2 m3，弃方数量较小，需弃土石方约16 697.7 m3，沿线软土路基呈点状或带状零星分布。

1.2 工程地质条件

本工程所在区域地貌主要以侵蚀剥蚀岗地地貌为主，岗体呈馒头状分布或垄岗状相间排列，岗顶较平齐，一般高程小于40 m～100 m，高差10 m～30 m。根据地质调绘、钻探揭露情况，工程区域大部分为人工填土、第四系全新统冲积层及第四系中—上更新统残坡积土层覆盖，下伏第三系—白垩系(K2-R)砂岩、砾岩，旧路沿线切方可见地表覆盖第四系残坡积粉质黏土或含碎石粉质黏土，一般厚约为0.5 m～3 m，之下为全风化砂岩和砾岩，局部见页岩出露，低洼冲沟内主要为冲积粉质黏土，一般厚度大于5 m。

1.3 水文地质条件

本工程区域气候湿润，雨量充沛，地表径流发育，低洼冲沟处和岗地多溪沟和水塘及人工渠道。丰富的地表水为区内工农业生产和居民用水提供了便利，也为本项目的建设提供了有利条件。水文地质条件相对简单，地下水主要有松散岩类孔隙水及基岩裂隙水两类，地下水补给来源有大气降水的下渗，沟渠、溪沟及灌溉入渗补给。地下水与沟塘、溪沟等地表水体具有较强的互补性，丰水期地下水上升，补给周围的地表水体，枯水期则反之。根据现场试验结果表明，判定环境水对混凝土结构及钢筋混凝土结构中钢筋均具微腐蚀性。

2 数值模拟

路基加宽变形过程采用离散元软件进行模拟，对路基加宽过程以及加宽之后碾压过程进行数值分析。为了便于观察路基加宽过程中路堤高度的变化，本文模型的尺寸为长为20 m，高为5.33 m，路基边坡比为1∶1.5。模型中路基分为4层，如表1所示。

表1 路基土层参数

2.1 模型参数

本文颗粒结构模型假定：1)定义最大、最小粒径之后，模型中的颗粒半径在最大与最小粒径均匀分布，按照给定的初始孔隙率的大小不同的颗粒分布在模型四面“墙”的封闭区域中。2)颗粒的形状为圆形，水泥以及沥青采用的是平行黏结模型，垫层采用点线性模型。3)在路面碾压过程中，模型中的颗粒不会破碎。4)本文采用的是颗粒为各向同性的刚性颗粒，模型中的“墙”为刚性边界。5)本文采用的是二维平面轴对称来模拟路面加宽变形过程。

根据路基现场试验情况，采用200 mm为颗粒的最大粒径，20 mm为颗粒的最小粒径。建立路基加宽颗粒流模型，左右边界条件为左右墙体保持位置不变，即墙体运动速度为零，通过伺服控制系统来强迫模型达到路基加宽模型理想的模拟状态。完成上述工作后，通过上下墙体来施加荷载，进行路基工程加宽过程中界面形式的响应分析。

根据路基加宽施工的实际情况建立相应的施工加宽过程。两种加宽界面形式路基加宽，斜坡式加宽与台阶式加宽，进行分层压实，最后通过碾压过程来达到设计标高，通过测量颗粒流中的配位数的变化，来说明颗粒中的压实度。

2.2 模型的建立

通过软件内置的fish语言建立如图1的颗粒流数值模型，图1模型是直接在斜坡加宽(斜坡式界面)，图2模型是台阶式路基加宽(台阶式界面)，通过对比这两种新旧界面形式的路基加宽数值模拟来分析路基加宽沉降结果。

为了获得路基加宽后路面碾压对路基的影响，在该模型中设置三个测量圆，分别从左至右设置2,1,3测量点。通过监测相关结果，从而得出不同界面形式路基孔隙率、配位数以及颗粒位移场的变化规律。

数值模拟过程分析，首先，进行自重应力作用下的变化，由于未加竖向荷载时，生成颗粒的孔隙率比较大，给颗粒赋予密度属性，让其在自重应力作用下固结，让小直径的颗粒填充到大直径的颗粒空隙中去，其次，在数值模拟达到平衡后，进行路基竖向碾压，在上部墙体施加作用力，当上部墙体与颗粒作用下，颗粒之间开始被挤密，颗粒与颗粒之间的接触力越来越大，最后，通过碾压到目标标高，分析颗粒与颗粒之间的相互作用。

图3与图4分别是斜坡式和台阶式界面形式路基加宽颗粒之间的接触受力图，可以得到在路基加宽后的斜坡边的接触力相对于路基中间比较小。通过对比斜坡式与台阶式界面形式路基加宽受力分析，台阶式的接触力比斜坡式接触力小。

斜坡式路基加宽模型的颗粒之间的相对运动趋势如图5所示，越靠近路基中心的速度垂直向下，到斜坡的速度方向偏向斜坡。图6为台阶式路基加宽颗粒之间速度趋势图，颗粒的速度运动趋势比较一致。相比两种路基加宽形式，斜坡式界面受到碾压产生与边坡方向滑移，容易产生差异化沉降。

图7与图8分别表明斜坡式与台阶式路基加宽在碾压过程中，颗粒之间的位移场的变化趋势，离路面距离越近，颗粒的竖向位移越大。台阶式界面加宽比斜坡式界面加宽的颗粒的竖向位移要小，且界面处的侧向位移相对而言要小。

3 结语

本文通过颗粒流软件模拟路基加宽数值模型，分析碾压过程中斜坡式路基加宽和台阶式路基加宽的内部沉降规律，研究新旧路基交界面形式对路基沉降的影响。主要结论如下：

通过建立两种不同新旧路基交界面形式的颗粒流数值模型，通过碾压达到设计标高，斜坡式界面形式会在路基边坡上产生滑移，台阶式的路基孔隙率较低，压实效果好。路基加宽沉降结果表明，台阶式界面形式的沉降速度快，碾压次数少。