降雨作用下新老路基变形特性的数值模拟研究

摘要：文章依托某软土地区高速公路改扩建工程，根据实际工点建立有限差分数值模型，分析了降雨入渗条件下新老路基的孔隙水压力和变形特性，并通过不同工况研究了降雨强度对新老路基渗流和变形特性的影响。得出主要结论如下：（1）在未降雨条件下，路基孔隙水压力随深度增大逐渐增大，在降雨的过程中，孔隙水压力增大速率随路基深度增加逐渐减缓，孔隙水压力的变化趋势转变为随路基深度增加逐渐减小；（2）从路基中轴线到路基边缘处，路基表面的竖向变形呈先增大再减小的变化趋势，最大竖向变形出现在新老路基分界处，路基表面的水平变形呈先缓慢增大，然后快速增大的变化趋势；（3）降雨结束后，路基中轴线不同深度位置的孔隙水压力和路基表面的孔隙水压力逐渐增大，且均随着降雨强度增大而明显增大，降雨强度对路基浅层土体的渗流和变形特性影响较大，对路基深层土体影响较小。

关键词：新老路基；降雨作用；孔隙水压力；变形特性；数值模拟

中图分类号：U416.1" " "文献标识号：A" " "DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2024.11.0011

文章编号：1673-4874（2024）11-0011-03

引言

随着经济的快速发展，我国高速公路总里程数和覆盖面积迅速增加，但早期修建的高速公路由于当时经济和技术条件的限制，难以满足目前对高速公路的需求，因此需在原有公路的基础上进行扩建。根据大量的工程实践经验，高速公路改扩建工程在运营期间易出现新老路基之间的不均匀沉降问题，导致新老路基过渡段道路结构出现应力集中，引起路面开裂和路基失稳等工程问题。

目前对高速公路改扩建工程中新老路基不均匀沉降特性及应对方法的研究已取得了较多成果。朱冬林等［1］依托某软土地区高速公路路基改扩建工程，通过大型室内物理模型试验研究了新老路基的差异沉降变形、水平位移及固结特性的变化规律。王都兴［2］依托某山区公路拓宽工程，利用ABAQUS软件建立数值模型，研究了路基填筑过程中路基表面沉降和坡脚水平位移的变化规律。李刚等［3］依托长株高速公路某段改扩建工程，利用FLAC 3D软件建立数值模型并进行计算，研究了拓宽宽度、填方高度、新老路基弹性模量和压缩模量对新旧路基差异沉降的影响规律。张志远［4］依托某城市高速公路拓宽工程，建立了路基三维数值模型，研究了不同拓宽方式（单侧拓宽、双侧拓宽）对路基表面沉降的影响规律。陈建波［5］利用有限元软件建立拓宽路基模型，研究了拓宽方式、路基填筑高度和地基模量对路基最终沉降及新老路基差异沉降的影响。邓然［6］利用ABAQUS软件建立了路基拓宽模型，研究了新老路基差异沉降对路面平整度的影响，并提出了针对性的治理措施。袁以堂等［7］依托某高速公路改扩建工程，利用Midas GTS软件建立数值模型，结合现场监测数据，研究了新老路基过渡段路基沉降和路基边坡水平位移的变化规律。骆俊晖等［8］通过拓宽路堤现场试验和有限元数值模拟研究，分析了不同加筋形式对新路堤沉降与水平位移的影响。于少博［9］依托某山区高速公路扩建工程，建立拓宽路基的有限元数值模型，分析了扩建过程中路堤的沉降和水平位移，研究了土工格室对路基变形的影响规律。

本文依托某软土地区高速公路改扩建工程，依据实际工点建立有限差分数值模型，分析了降雨入渗条件下新老路基的孔隙水压力和变形特性，并通过不同工况研究了降雨强度对新老路基渗流和变形特性的影响，以期对高速公路改扩建工程的设计和施工提供参考。

1工程背景及数值模型

本文依托某软土地区高速公路改扩建工程，基于有限差分法，根据实际路基典型断面建立数值模型，研究新老路基过渡段沉降特性。通过勘察及设计资料可知，研究区地层岩性组成自上而下分别为：粉质黏土、砂土和强风化粉砂岩。原高速公路路基和拓宽路基均采用粉土进行填筑。原道路路面宽度为12.0 m，为双向双车道，路基高度为6.0 m，扩建后的路面宽度为36.0 m，为双向六车道。采用双侧拓宽的方式进行公路拓宽，老路基两侧分别加宽12.0 m。其中新老路基的坡率均采用1∶1.5。新老路基连接处通过开挖台阶进行搭接，台阶的尺寸为1.0 m×1.0 m。

根据陈睿［10］的研究，为减少计算模型边界对计算结果的影响，减小路基部分的计算误差，建立模型时选取地基宽度为路基宽度的2倍，选取数值模型的尺寸为108.0 m×30.0 m×30.0 m。数值模型如下页图1所示。

模型的位移边界条件设置为：模型顶面为自由边界，模型侧面施加垂直于侧面的约束，限制其法向位移；模型底面施加水平和竖直方向的约束，限制其水平和竖直方向位移。初始地应力场仅为重力场。模型的渗流边界条件设置为：模型顶面为透水边界，其余边界均为不透水边界，模型的初始孔隙水压力场从模型顶面至底面呈线性分布，对于非饱和土的渗流，其渗透系数k与土体饱和度Sr有关，即饱和土的渗透系数为k0，可定义一个系数ks，ks=（Sr）3，则非饱和土的渗透系数为k=ks×k0。数值模型的计算参数取值如表1所示，其中新老路基填土和地基土的本构模型均采用“摩尔-库仑”强度准则。

2降雨入渗对新老路基变形性能的影响

为研究降雨入渗对新老路基变形特性的影响，本文选取降雨时长36 h，降雨强度为17.5 mm/24 h（中雨）的降雨工况进行数值计算，得到路基中心位置的孔隙压力随降雨时间的变化规律（如图2所示）。降雨后路基中轴线位置不同深度的竖向变形曲线如图3所示。

由图2可知，在未降雨的初始条件下，模型内部的孔隙水压力随着深度的增大呈现逐渐增大的趋势。在降雨的过程中，路基表面的孔隙水压力增长速率最快，随着路基深度的增加，孔隙水压力的增大速率逐渐减缓，两点之间的孔隙水压力差值逐渐减小。在降雨时长＞12 h后，模型内部的孔隙水压力的变化趋势转变为随着深度增加逐渐减小。

由图3可知，降雨后，路基中轴线位置的竖向沉降变形随着路基深度的增加呈现先增大再减小的趋势。当路基深度＜5 m时，路基竖向沉降随路基深度的增加逐渐增大，但增大速率随着路基深度的增加逐渐减小。当路基深度＞5 m时，路基竖向沉降随路基深度的增加逐渐减小。在路基深度为5 m的位置，降雨引起的路基竖向沉降达到最大值，为1.81 mm。分析其原因为：降雨后路基受到雨水入渗影响，孔隙水压力增大，土体基质吸力减小，土体抗剪强度降低，变形模量减小。同时由于雨水入渗导致路基含水率增大，路基土体重度增大，导致土体自重荷载明显增大，进而引起路基竖向沉降变形随路基深度的增加呈增大趋势。随着路基深度的增加，雨水的入渗量逐渐减小，土体抗剪强度降低幅度减小，重度增加减缓，路基竖向沉降变形增量不断减小。当路基深度＞5 m时，受到下层地基土体的约束，竖向沉降增加值随路基深度增加呈现减小的趋势。

为对降雨后路基表面的变形特性进行分析，提取路基表面的竖向和水平变形数据。考虑到路基结构的对称性，故选取半幅路基绘制降雨后路基表面的竖向和水平变形曲线如图4所示。

由图4可知，从路基中轴线位置到新老路基分界处，路基表面的竖向变形逐渐增大；从新老路基分界处到路基边缘位置，路基的竖向变形逐渐减小。这是因为新老路基土体固结程度不一致，其变形模量和泊松比不同。在新老路基交界位置，由于两侧土体的不协调变形，内部存在较多微裂隙，孔隙率较大，雨水的入渗量较大，导致土体的抗剪强度降低幅度更大，竖向变形量更大。随着距路基中轴线距离的逐渐增大，路基表面的水平变形逐渐增大。老路基的路基表面水平变形基本相同，新路基的路基表面水平变形随距路基中轴线距离的增大近似线性增大。这是因为路基在产生竖向变形的同时对周围土体产生挤压作用，从而产生水平方向的变形。越靠近路基边缘位置，由于更加接近临空面，挤压作用对路基水平变形的影响越明显，路基的水平变形越大。

3不同降雨强度对新老路基的影响

为研究降雨强度对新老路基渗流及变形特性的影响，选取降雨时长为36 h，降雨强度分别为5.5 mm/24 h（小雨）、17.5 mm/24 h（中雨）、37.5 mm/24 h（大雨）三种工况进行数值计算，分析不同工况下路基孔隙水压力和变形的变化规律。路基中轴线表面位置的孔隙水压力随降雨时间的变化曲线如图5所示；降雨后路基中轴线位置不同深度处的孔隙水压力曲线和路基表面的孔隙水压力曲线如图6所示；不同降雨强度工况下路基表面的竖向和水平变形曲线如图7所示。

由图5可知，随着降雨时间的延长，路基表面中轴线位置的孔隙水压力逐渐增大。在相同降雨时间的条件下，降雨强度越大，孔隙水压力的增大速率越快。当降雨强度为小雨时，孔隙水压力随降雨时间延长大致呈线性增大；而当降雨强度为中雨和大雨时，孔隙水压力随降雨时间延长逐渐增大，增大速率逐渐减小。这是因为当降雨强度较大时，受到土体的渗透系数的限制，雨水无法完全渗入土体内部；同时随着降雨时间的延长，土体的饱和度增大，土体的渗透性也逐渐减小，导致孔隙水压力的增大速率逐渐减小。

由图6可知，随着降雨强度的增大，降雨结束后，路基中轴线不同深度位置的孔隙水压力和路基表面的孔隙水压力均明显增大，但路基的饱和深度有所不同。当降雨强度为大雨时，路基中轴线位置深度＞1.4 m的部分孔隙水压力为正值，说明该部分土体已达到饱和状态。在降雨强度为小雨和中雨工况中，路基土体未达到饱和状态，但中雨工况中路基表面位置土体已经接近饱和状态。当路基深度＞5 m时，该部分路基的孔隙水压力在不同降雨强度工况下差别较小，说明降雨强度对路基浅层土体影响较大，对路基深层土体影响较小。降雨结束后路基表面不同位置的孔隙水压力基本相同，由于新路基土体固结程度较低，雨水更易入渗，导致新路基表面的孔隙水压力略大于老路基。

由图7可知，从路基中轴线到路基边缘处，路基表面的竖向变形呈先增大再减小的趋势，最大竖向变形出现在新老路基分界处。路基表面的水平变形呈先缓慢增大，然后快速增大的趋势，最大水平变形出现在路基边缘处。随着降雨强度的增大，路基表面的竖向变形和水平变形均明显增大。当降雨强度分别为小雨、中雨、大雨时，路基表面最大竖向变形分别为2.17 mm、6.19 mm、11.48 mm，路基表面最大竖向变形位置对应的水平变形值仅为0.05 mm左右，几乎可以忽略不计。路基表面最大水平变形分别为1.16 mm、1.71 mm、2.02 mm，路基表面最大水平变形位置对应的竖向变形值分别为0.98 mm、5.55 mm、11.02 mm。

综上所述，降雨强度对路基的渗流和变形特性均存在较大影响，尤其对新老路基交界位置和路基边缘位置的影响最为显著。当降雨强度达到大雨级别时，路基的饱和度、竖向沉降和水平变形均达到较大水平，对路基的服役性能造成不利影响，因此在高速公路改扩建工程的施工与运营期间应重点注意以下几点：

（1）在新路基填筑施工过程中，尽量选择与老路基相同的路基填料，同时严格控制路基填筑过程中的压实度，从而控制后期新老路基的之间的差异沉降。

（2）降雨对新老路基分界位置的影响较大，应着重加强新老路基分界位置处的防水措施，也可考虑对新老路基分界位置进行注浆加固。

（3）应重点对高速公路改扩建段进行雨量监测和新老路基差异沉降的监测，当差异沉降超过规范控制要求，应及时采取相应的工程措施，防止其进一步发展。

4结语

（1）在未降雨条件下，路基中轴线位置孔隙水压力随深度增大逐渐增大。在降雨的过程中，孔隙水压力的增大速率随路基深度增加逐渐减缓，在降雨时长＞12 h后，孔隙水压力的变化趋势转变为随路基深度增加逐渐减小。

（2）从路基中轴线到路基边缘处，路基表面的竖向变形呈先增大再减小的变化趋势，最大竖向变形出现在新老路基分界处，路基表面的水平变形呈先缓慢增大，然后快速增大的变化趋势。

（3）随着降雨强度的增大，降雨结束后路基中轴线不同深度位置的孔隙水压力和路基表面的孔隙水压力均明显增大，降雨强度对路基浅层土体影响较大，对路基深层土体影响较小。

参考文献：

［1］朱冬林，曾伟，孙红，等.软土区拓宽路基沉降机理的模型试验研究［J］.路基工程，2023（6）：128-133.

［2］王都兴.软土地基上的路基改扩建数值模拟研究［J］.交通世界，2022（27）：81-83.

［3］李刚，郭艳玲.高速公路改扩建新旧路基差异沉降影响因素分析［J］.公路交通科技，2021，38（7）：22-28.

［4］张志远.公路路基拓宽对路基沉降的影响分析［J］.辽宁科技学院学报，2022，24（1）：13-16.

［5］陈建波.拓宽公路路基差异沉降影响因素分析［J］.交通世界，2023（Z2）：101-103.

［6］邓然.路基差异沉降对路面平整度的影响分析［J］.西部交通科技，2023（7）：20-23.

［7］袁以堂，张杜锋，吴春伟，等.高速公路改扩建软基换填拓宽段地基变形分析［J］.公路，2023，68（3）：86-89.

［8］骆俊晖，祁航翔，王家全，等.不同加筋形式的沿海高速公路拓宽路堤现场试验与数值分析［J］.科学技术与工程，2023，23（8）：3 455-3 465.

［9］于少博.基于土工格室的山区公路路基改扩建变形控制分析［J］.交通科技与管理，2023，4（21）：124-126.

［10］陈睿.基于ABAQUS对高速公路软土地基拓宽变形性状的应用研究［D］.天津：河北工业大学，2014.

作者简介：银花雨（1976—），工程师，主要从事试验检测工作。

收稿日期：2024-05-16