高速公路路基拓宽变形规律及对路面结构影响分析_张素霞.pdf

-120-高速公路路基拓宽变形规律及对路面结构影响分析张素霞（山西辰润交通科技有限公司，山西 晋中 030600）摘要：以山西晋中高速公路工程改扩建为研究对象，采用大型有限元软件 ABAQUS 建立数值分析模型，分析了路基拓宽填筑过程中变形规律，并重点研究了路基拓宽稳定后的路面结构变形特性，得到结论：填筑后的路基最大水平位移发生在新路堤边坡坡脚下面，新旧地基交界面、新路基与地基交界面均出现水平位移变形集中现象；随着新路基的填筑高度不断地增大，新路基沉降不断增大，且随着路基填筑高度的增大，对旧路基影响也逐渐增大，旧路基附加沉降逐渐增大；路基拓宽变形稳定后，水平位移从旧路基顶面中心到旧路基的顶面边缘基本呈线性增大，最大水平位移发生在新旧路基交界处，新旧路基会发生差异沉降，离旧路基中心越远，沉降越大。关键词：公路路基；拓宽；变形规律；数值分析中图分类号：U416.1 文献标识码：BAnalysis on deformation law of highway subgrade widening and its influence on pavement structureZHANG Suxia（Shanxi Chengrun Transportation Technology Co.,Ltd.,Shanxi Jinzhong 030600 China）Abstract:Taking the reconstruction and expansion of highway engineering as the research object,the numerical analysis model is established by using the large-scale finite element software ABAQUS to analyze the deformation law in the process of subgrade widening and filling,and focus on the deformation characteristics of pavement structure after subgrade widening and stability.The following conclusions are obtained that the maximum horizontal displacement of the filled subgrade occurs below the toe of the new embankment slope,the interface between the old and new foundation horizontal displacement and deformation concentration occurs at the interface between new subgrade and foundation.With the increasing filling height of the new subgrade,the settlement of the new subgrade increases,and with the increasing filling height of the subgrade,the impact on the old subgrade also increases gradually,and the additional settlement of the old subgrade increases gradually.After the subgrade widening deformation is stable,the horizontal displacement increases linearly from the top center of the old subgrade to the top edge of the old subgrade.The maximum horizontal displacement occurs at the junction of the old and new subgrade,and the new and old subgrade will have differential settlement.The farther away from the center of the old subgrade,the greater the settlement.Key words:highway subgrade;broaden;deformation law;numerical analysis引言随着交通运输业的不断发展，越来越多的城市道路已满足不了车辆通行要求，城市道路拓宽改扩建迫在眉睫。国内学者对此进行了研究，李晓等1-2以重庆某山区公路改扩建为研究对象，采用数值模拟的方法，对改扩建道路道路工程的路基横向变形及路堤边坡稳定性进行了研究，研究表明随着路基的拓宽，新路基和老路基变形均增大。王景环等3-4以某改扩建工程为研究对象，采用有限元模拟方法对新拓宽路基变形规律进行了分析，结果表明随着路基的填筑，新老路基中间会发生附加差异沉降，且老路基路肩出现较大的水平位移，方向朝道路外侧。彭伟等5-6分析了路基加宽产生的不均匀沉降变形机理，并依托工程项目，采用 Midas/GTS 有限元软件建立分析模型，着重研究了在不同填土高度下新老路基不均匀沉降变形规律以及路面结构层应力变化。收稿日期：2022-06-16作者简介：张素霞（1984），女，山西翼城人，工程师。2022 年第 6 期山东交通科技-121-1 工程概况原山西晋中高速公路工程，两侧准备实施改扩建，道路全长 1.62 km，桩号为 K16+110K17+730，原始道路路面宽度26.0 m，路基边坡的坡度比为11.5，为双向四车道。按照设计方案，两侧路面均分别拓宽8.2 m，变成双向八车道，见图 1。（由于对称性，只给出了右半幅道路扩建示意图。）路基高度为 5 m，新建路堤坡率仍为11.5，地基土层主要是硬壳土、亚黏土以及淤泥质黏土等，具体尺寸见图 1。亚黏土硬壳层旧路基新路基11.513.020.013.03.0 5.08.2淤泥质黏土图 1 半幅路基拓宽/m2 数值建模2.1 建立模型根据公路概况，采用 ABAQUS 有限元软件进行建模分析，见图 2，考虑对称性，只对右半幅道路扩建工程进行模拟分析。该模型长、宽和高分别为50 m、1 m 和 41 m，路基边坡的坡度比为 1 1.5。计算过程中认为旧路基已固结沉降完成，新路基作为附加荷载施加在了地基和旧路基之上，且只考虑路基土的自重作用。模拟过程中，设定旧路基已沉降完成，先用“杀死”新路基单元，然后根据单元的生死过程来实现对新单元“激活”。在模拟计算过程中，除模型上边界外，其他边界均进行水平和竖向位移约束，采用德鲁克-普拉格本构模型进行计算。图 2 数值模型2.2 参数选取及本构模型模型的土体相关力学参数指标见表 1。表 1 土体的物理力学指标土层材料弹性模量/MPa重度/（kNm-3）黏聚力/kPa泊松比内摩擦角/（）旧路基土层34.821.032.40.3225.3新路基土层20.321.021.20.3024.0硬壳土层18.119.624.80.2625.5亚黏土层13.618.718.50.298.5淤泥质黏土层22.818.016.80.2624.43 数值结果分析3.1 拓宽填筑过程中的路基变形分析新路基填筑过程中路基水平位移云图见图 3。+3.933e-03U,U1+3.278e-03+2.622e-03+1.967e-03+1.311e-03+6.555e+04+0.000e+00-6.555e-04-1.311e-03-1.967e-03-2.622e-03-3.278e-03-3.933e-03（a）填筑 2 m+6.562e-03+5.468e-03+4.375e-03+3.281e-03+2.187e-03+1.094e-03-2.328e-10-1.094e-03-2.187e-03-3.281e-03-4.375e-03-5.468e-03-6.562e-03U,U1（b）填筑 4 m图 3 填筑过程中路基水平位移云图+1.018e-02+8.479e-03+6.784e-03+5.088e-03+3.392e-03+1.696e-03+0.000e+00-1.696e-03-3.392e-03-5.083e-03-6.784e-03-8.479e-03-1.018e-02U,U1（c）填筑 6 m张素霞：高速公路路基拓宽变形规律及对路面结构影响分析-122-由图3可知，随着新路基的填筑高度不断地增大，路基水平位移发生变化，填筑后的路基最大水平位移发生在新路堤边坡坡脚下面，路基填筑的增高使得最大水平位移位置由地基内部逐步上升到新路基坡脚位置。新旧地基交界面、新路基与地基交界面均出现水平位移变形集中现象，旧路基坡脚左侧地基向旧路基中心方向移动，旧路基坡脚右侧地基向旧路基外侧方向移动，且越靠近新路基坡脚，水平位移越大。新路基填筑过程中路基竖向位移云图见图 4。U,U2+3.975e-04-2.480e-03-5.358e-03-8.236e-03-1.111e-02-1.399e-02-1.687e-02-1.975e-02-2.263e-02-2.550e-02-2.838e-02-3.126e-02-3.414e-02（a）填筑 2 m（b）填筑 4 mU,U2+6.390e-04-3.786e-03-8.212e-03-1.264e-02-1.706e-02-2.149e-02-2.591e-02-3.034e-02-3.476e-02-3.919e-02-4.362e-02-4.804e-02-5.247e-02（c）填筑 6 mU,U2+9.095e-04+4.495e-03+9.899e-03+1.530e-02+2.071e-02+2.611e-02+3.152e-02+3.692e-02+4.232e-02+4.773e-02+5.313e-02+5.854e-02+6.394e-02图 4 填筑过程中路基竖向位移云图 由图4可知，随着新路基的填筑高度不断地增大，新路基沉降不断增大，最大沉降发生在新路堤与地基交界中心处，且随着路基填筑高度的增大，对旧路基影响也逐渐增大，旧路基附加沉降逐渐增大。3.2 路基拓宽完成后的路面结构变形分析拓宽变形稳定后路基顶面的水平位移监测曲线见图 5，位移方向向右为正，反之为负。1612840 5 10 15 20 25路基顶部水平位移/mm距离旧路基中心距离/m图 5 拓宽完成后路基顶面的水平位移由图 5 可知，从旧路基顶面中心到旧路基的顶面边缘，水平位移一直呈线性增大趋势，路基顶面最大水平位移发生在新旧路基交界处，最大值为15.12 mm。对于新路基，其水平位移比旧路基路肩要小，新路基顶面最大水平位移值为 13.45 mm，发生在新路基中心，往道路两侧水平位移减小。图 6 为拓宽完成后路基顶面的竖向位移监测曲线图，位移方向向上为正，反之为负。距离旧路基中心距离/m路基顶部竖项位移/mm0 5 10 15 20 25-20-30-40-50-60-70图 6 拓宽完成后路基顶面的竖向位移由图 6 可知，从旧路基顶面中心到新路基的顶面外边缘，路基竖向沉降一直呈增大趋势，路基顶面最大沉降发生在新路基外边缘处，最大值为 70.32 mm，即在新路基修建过程中路基会发生差异沉降，离旧路基中心越远，沉降越大。4 结语（1）填筑后的路基最大水平位移发生在新路堤边坡坡脚下面，路基填筑的增高使得最大水平位移位置由地基内部逐步上升到新路基坡脚位置。新旧地基交界面、新路基与地基交界面均出现水平位移变形集中现象，旧路基坡脚左侧地基向旧路基中心方向移动，旧路基坡脚右侧地基向旧路基外侧方向移动，且越靠近新路基坡脚，水平位移越大。（2）2022 年第 6 期山东交通科技-123-随着新路基的填筑高度不断地增大，新路基沉降不断增大，最大沉降发生在新路堤与地基交界中心处，且随着路基填筑高度的增大，对旧路基影响也逐渐增大，旧路基附加沉降逐渐增大。（3）路基拓宽变形稳定后，从旧路基顶面中心到旧路基的顶面边缘，水平位移一直呈线性增大趋势，路基顶面最大水平位移发生在新旧路基交界处；从旧路基顶面中心到新路基的顶面外边缘，路基竖向沉降逐渐增大，即在新路基修建过程中路基会发生差异沉降，离旧路基中心越远，沉降越大。参考文献：1 李晓,纪伦,钟勇.新老路基相互作用下山区公路拓宽工程的变形数值模拟J.公路工程,2018,43（6）:283-287,314.2 陈庚,王波,陈永辉,等.海域扩宽公路的变形特征及数值模拟分析J.地下空间与工程学报,2018,14（1）:273-279.3 王景环,陈清,余文章,等.高速公路单侧拓宽的高路堤变形规律分析J.人民长江,2014,45（15）:51-55.4 邱勇,杨立新.软土地基旧路拓宽工程路基沉降变形规律分析J.山西建筑,2010,36（30）:297-298.5 彭伟,孙瑞.路基加宽不均匀沉降及其对路面结构应力影响分析J.工程技术研究,2021,6（8）:27-28.6 刘海峰,杨树春.公路拓宽工程新老路基变形规律的数值分析J.西部探矿工程,2008（12）:196-198,202.（上接第 119 页）计算值为30.1 mm。旧路基的沉降量明显低于新路基，但沉降量相对较小。3.3 两种加宽方式路基变形对比分析对比分析两种加宽方式模拟计算和现场监测结果，在地质和地形条件、填筑高度相同的情况下，采用两种加宽方式路基表面沉降量最大值模拟计算值分别为 36.2 mm 和 32.8 mm，实测值分别 33.7 mm 和 29.2 mm，得出单侧加宽路基表面沉降量大于双侧加宽方式，且双侧加宽沉降曲线变化趋势更加平缓，说明沉降变形更加均匀。因此，在加宽宽度相同的情况下，采用双侧加宽新路基的沉降量较小，新旧路基的差异沉降量也较小，与单侧加宽相比具有明显优势。新路基表面最大沉降位置均出现在路肩位置，对路基整体结构稳定性影响较小，不容易导致路面开裂。从力学角度考虑，双侧加宽对旧路基产生的负面影响较小，旧路基的沉降变形也较小。但采用双侧加宽也会增加设计与施工难度、受现有交通影响也较大，作业面小，不利于大型机械施工，也可能会增加工程造价，延长施工工期。总之，采用双侧加宽不仅可以降低对旧路基的影响，还可以降低路基沉降变形，在条件许可的情况下，应尽可能选择双侧加宽方式，但如受施工条件限制，应优先选用单侧加宽。4 结语（1）采用单侧加宽路基沉降变形模拟趋势和实测曲线变形趋势基本一致，且实测值小于模拟计算值，路基表面沉降最大值出现在距路基中线4 m左右，位于路肩位置。（2）采用双侧加宽路基沉降变形模拟趋势和实测曲线变形趋势基本一致，实测值小于模拟计算值，路基表面沉降最大值小于单侧加宽，且沉降变形曲线较为平缓。（3）对比分析两种加宽方式路基沉降变形模拟和实测结果，得出双侧加宽沉降量相对较小，变形更加均匀，在施工条件允许的情况下应优先选用双侧加宽方式。参考文献：1 董克昌,李大勇,李桂花.改扩建公路桥梁加宽方式优化J.公路交通科技（应用技术版）,2018,14（12）:177-178.2 张玉伟.关于辽河堤顶路加宽技术的探讨和研究J.内蒙古公路与运输,2016（1）:32-35.3 李晟,何英勇,涂军莲.旧路加宽沉降分析J.湖南交通科技,2010（36）:15-17,157.4 刘迎秋.旧路改建路基加宽的施工J.黑龙江交通科技,2007（7）:25.5 蔡国军,朱晓宁,王军.G312拓宽改建路基拼接技术及效果评价J.路基工程,2006（2）:44-48.