非对称性结构形式的公路路基拓宽工程响应分析

叶柯志 YE Ke-zhi

（广东水电二局股份有限公司，广州 511300）

0 引言

近年来，随着我国国民经济的快速发展，公路交通出现了越来越拥挤的现象，为了缓解交通所带来的压力，不得不对原有道路进行拓宽建设。针对道路路基扩建的研究有很多[1-6]，其中取得了优秀的研究成果，例如，徐全亮等人[7]研究了软土公路路基拓宽其产生的新旧路基沉降以及附加应力的规律变化，通过有限元数值计算获得了路基拓宽施工前后的其沉降差异、水平位移与应力值；聂鹏飞等人[8]基于有限元研究了高速公路拓宽工程其在施工填筑过程中的路基变形与应力分布规律，为工程建设提供指导作用；齐光远[9]以黑龙江省伊绥高速公路为研究背景，分别采用理论解析解与有限元方法计算了新路基的附加荷载值与变形值；范红英[10]以西潼高速公路改扩建工程为例，进行建立了单侧拓宽与双侧对称拓宽路基的数值模型，探讨了路基在施工的影响作用下的沉降变形；杨涛等人[11]基于新旧路基修建的历史差异进行建立有限元数值模型探讨其施工全过程的力学响应，获取了路堤采用搅拌桩加固和未加固的变形值以及内部应力变化值。

在以往的路基拓宽工程的研究中，大多是将路基横断面考虑为对称性拓宽施工，但在实际工程中并非如此。为此，本文以广东省西部沿海区域省道某段扩建工程项目为例，探讨路基横断面非对称结构下的路基拓宽填筑的力学响应，采用有限元数值模拟计算路基在施工填筑作用下的位移和应力分布情况，为类似工程起施工指导与借鉴的作用。

1 工程概况

广东省西部沿海区域省道某段扩建工程项目，建设项目为一级公路等级，其设计速度为80km/h，扩建后的路基宽度为34m（双向六车道，一般路段），路基高度约为7.1m。本文选取典型的路基拓宽工程K4+580断面进行分析其施工引起的影响，路基左右两侧各加宽5m，另外路基右侧一级边坡坡度为1:1.75，高度2m，二级边坡为1:1.5，高度为5m；路基左侧边坡坡度为1:1.5，高度为4m。该拓宽路基断面结构如图1。

图1 非对称结构的公路路基拓宽横断面图

根据设计图纸进行施工填筑，本工程的施工顺序：先地表杂草土进行清理，再进行台阶开挖，后进行右侧路基的填筑，最后左侧路基的施工填筑。

2 有限元数值模型的建立

2.1 模型的建立以及边界条件设置

由于道路路基为条形状结构物，建立二维平面的路基模型可满足计算精度。基于圣维南原理进行考虑边界条件，所建立数值模型尺寸为分析区域的3～5倍长度，即长为140m，地基—路基的厚度为80m。建立的数值模型如图2，图中的网格为12362个单元数，14804个节点数。同时，限制模型底部的全部位移（即U1=U2=0），限制模型左右两则的水平位移（即U1=0）。

图2 有限元计算模型

2.2 有限元模型本构与计算参数的选取

为了提高计算效率，又满足工程精确度下，本文对本次数值计算作出如下假设：①路面材料服从线弹性外，其中粗砂、粉质黏土、素填土和新老路基材料均服从Mohr-Coulomb强度破坏准则：②拓宽路基填筑高度为1.25m/d；③路基地基材料参数不随施工进行变化。

表1 有限元模型计算参数

2.3 接触面相互作用

在本文当中，对新路基—地基与旧路基之间的接触采用Coulomb摩擦模型给表征，其接触面间的接触压应力为p，则摩擦模型中的极限摩擦力值为τcrit=μp，其中μ为新路基体与旧路基以及地基间的界面摩擦值，通常取值为μ=0.4。

3 数值计算结果分析

在实际工程中，旧路基与地基土体内部存在着应力而无位移的状态。因此，在施工填筑前先将地基与旧路基进行地应力平衡。

为了更好分析每层施工填筑作用下的路基路面变形与应力分布情况，在下列的图表中，将右侧路基第一层填筑表示为“R1”，左侧路基第一层填筑表示为“L1”，其余分层填筑以此类推。

3.1 施工填筑下旧路基路面顶层沉降变形规律分析

在施工的过程中旧道路仍通车，而在施工填筑的堆载作用下，会使得原有路基发生变形，例如产生过大的不均匀沉降使得旧道路路面发生开裂的现象。因此，为了揭示路基拓宽填筑施工对原有路面产生变形规律，本文提取了每层填筑完成后的旧路面沉降变形值。图3为每层路基填筑完成时旧路面顶层的沉降变形曲线值，图4为路基拓宽施工完成时的竖向位移云图。

图3 每层施工填筑下旧路基路面顶层的竖向位移曲线

图4 路基施工完成时的竖向位移云图

由图3可知，随着填筑施工作用下旧路面顶层两侧呈现出不对称的沉降变形，特别是右侧的路基路面顶层沉降最大，该现象产生原因为：路基结构拓宽其右侧填筑的土体比左侧要多，导致作用在地基表面上的附加荷载右侧大于左侧，而附加荷载较大的一侧使得地基土体被进一步压缩，加大了其沉降，最终使得右侧的路面顶部沉降较大。路基路面的不均匀沉降危害不言而喻，本文引入路面的最大沉降值与最小沉降值之间的差值作为不均匀沉降系数差值，其不均匀沉降系数差值（ξ）表达式为式（1）：

上式中，Smax—为路面顶层的最大沉降值（mm）；Smin—为路面顶层的最小沉降值（mm）。

通过计算可得到路基路面顶层在其周边拓宽填筑施工的影响下的不均沉降系数差值，其具体如表2所示。

表2 每层填筑施工下的路基路面顶层最小与最大沉降值

通过表2可知，右侧路基开始施工至其填筑施工完成时，其路基路面顶层的不均匀沉降系数差值也逐渐增大；当左侧路基开始施工至其填筑施工完成时，其路基路面顶层的不均匀沉降系数差值由最大又逐渐减小为12.1mm，由此可见，路基在拓宽施工中，对其路基两侧同时填筑施工更可以有效抑制不均匀沉降的发生。

3.2 施工填筑下新路基坡脚处的水平位移规律分析

根据有关研究均表明，在路基施工的过程中其往往最先在坡脚处发生破坏。因此，提取在施工填筑下的坡脚处沿地表深度的水平位移值。

其如图5～图8所示。

由图5可知，右侧路基施工填筑所引起的右侧路基坡脚处沿地表深度的土体水平位移在靠近地表区域向路基内侧运动，在地表深度2m处由位移最小值逐渐增大最大值，其在达到最大值后又逐渐减小，每层施工填筑下的坡脚处水平位移曲线呈现出“鼓包”形；另外，随着右侧路基填筑施工的进行，其坡脚处沿地表深度的水平位移逐渐增加。

图6显示，右侧路基的施工对左侧路基坡脚处的水平位移造成影响，随着右侧路基施工的进行其约在坡脚地表深度的10m以下水平位移逐渐增大，而在距地表深度10m以上的土体随着填筑进行其水平位移像路基方向移动越明显，该现象的产生主要缘于路基的两侧施工不同时与结构性不对称所引起的。

图6 左侧路基坡脚处沿地表深度的水平位移（右侧路基施工）

图7可知，左侧路基的施工对右侧路基坡脚处沿地表深度的水平位移影响并不明显。

图7 右侧路基坡脚处沿地表深度的水平位移（左侧路基施工）

图8显示左侧路基的施工下，其左侧路基坡脚处沿地表深度的土体水平位移值随着施工填筑的进行而增加，且每层施工填筑作用下所引起的沿地表深度的土体位移规律基本一致。

图8 左侧路基坡脚处沿地表深度的水平位移（左侧路基施工）

3.3 施工填筑下新路基坡脚处的剪应力变化规律分析

以右侧路基坡脚处为例，分别进行分析右侧（R7）与左侧（L4）路基填筑施工完成时沿地表深度的剪应力分布值。如图9所示。

图9 右侧路基坡脚处沿地表深度的剪应力分布曲线

由图9可知，在路基拓宽施工中产生的附加应力，其在地表处剪应力值最小分别为12.68kPa（R7）和11.84kPa（L4），之后剪应力值均随着沿地表深度逐渐增大，约在距离地表的14m深度处剪应力达到最大值，其最大值分别为32.33kPa（R7）和32.58kPa（L4），在达到最大值后又开始逐渐减小。

4 结论

①非对称性的路基结构在对其进行扩建施工，所引起的路基路面沉降变形也呈现非对称性，就本工程项目而言，左右两侧路基施工填筑下其右侧路基沉降变形大于左侧路基的沉降变形，同时，非对称性结构的拓宽路基会促进路基路面不均匀沉降的产生。

②扩建道路的本工程项目中，其施工顺序为先是右侧路基施工填筑完成后再进行左侧路基施工填筑，此施工方案不利于控制路基路面的不均匀沉降变形，拟建议改成同时两侧路基施工填筑更为合理。

③在路基拓宽填筑施工下，其两侧的坡脚处沿地表深度的土体水平位移曲线规律基本一致，在靠近地表深度的土体位移均向着路基方向移动，距离地表深度约10m处的土体位移开始逐渐增大，在达到最大值后又逐渐减小。