基于ABAQUS软件对路基拓宽沉降规律的分析

文/新疆新纪元公路设计有限责任公司 杨静

工程概况

新疆某主干道路原为双向四车道，路基半幅宽度为13m，路基高4m，通行能力和使用质量都已经无法满足当前交通需求。因此对其加宽拼接，改造为双向八车道，新路基半幅宽度增加8m。根据以往路基工程经验表明，若旧路基加宽后处理不当，会导致路面开裂、路基沉陷等现象。

数值建模

ABAQUS是一种将偏微分方程（组）离散化的数值求解方法，ABAQUS功能强大，内置各类材料的本构模型、强度失效准则，包括线弹性模型、Mohr-Coulomb模型、Druker-Prager模型、Cam-Clay模型、渗透材料模型等。ABAQUS既可以模拟材料结构线性变化，又可以模拟复杂的非线性问题，解决一些复杂的工程问题。

地基土、路基土模拟主要借助ABAQUS软件内置的Mohr-Coulomb模型，假设路基为对称结构且足够长，旧路基下的地基沉降稳定，地基土、新旧路基采取四边形模拟单元。模型原有路基半幅宽13m，新路基半幅宽扩大了8m，边坡坡度、路基高度的几何模型分别设计为1∶1.5、4m。模型的最大模拟深度设置为-60m，为了保证模拟的准确性，路基宽度模拟边界增加至实际路基宽度外侧60m处。为了求得模型初始应力场分布，将模型运算到旧路基平衡状态，然后对模型填土荷载逐级加载，土体材料参数如表1所示。

差异沉降特性分析

路基土层的物理属性属于颗粒、水、空气的三相综合体。高速公路路基土体受到混凝土路面的挤压应力，当路基土层长期受压后，释放出土层内部的水、空气，最终导致路基后期出现显著的变形沉降。路基土层的碾压方式选为分层碾压施工，一般而言，通过压路机的频繁碾压，可以保证路基的压实度，但在实际施工中发现地基压实的效果并不明显。

图1 路基竖向位移示意图

图2 路基竖向应力示意图

图3 路基水平位移示意图

表1 路基土体材料参数

如图1所示，拓宽前，旧路基中心线处出现了最大竖向位移，最大竖向位移沉降分布形态为半盆形，拓宽后最大竖向位移呈倒钟形分布，主要出现在新路基一侧。

如图2所示，路基在进行拓宽施工前，原始路基的最大竖向压力主要集中于地基上层面，进一步分析可知，其竖向应力的大小与地基深度大小成反比关系，拓宽后，竖向应力的最大值呈现明显增大趋势，在新铺设路基底层中心处出现了最大竖向应力值。

如图3所示，路基拓宽前地基水平位移峰值出现在旧路基正下方，水平方向位移基本上为零，路基拓宽后，水平位移峰值出现在新铺设路基坡脚下边缘。在新旧路基接触处出现了临界状态，距离旧路基越近，发生水平位移的程度越小，位移值越小，距离新路基越近，其水平位移值越大。

路基变形影响分析

单侧加宽对路基变形的影响。依据工程实际，对模拟方案为填方旧路基+单侧填方新路基拼接，其中路基单侧加宽宽度取值分别为4m、8m、12m、16m。路基加宽到4m、8m、12m、16m时，最大竖向沉降值分别为12.1mm、21.4mm、27.0mm、30.2mm。综合分析，随着路基宽度增加，路基竖向沉降也随之增加，路基扩宽后对原始地基产生了不均匀荷载，沉降数值的分布规律呈现出由路基中心向外先增大后减小的趋势，且随路基宽度的增加，沉降极值逐渐靠外。

图4 加宽大小对路基沉降的影响

图5 不同加宽与路基表面最大差异沉降变化

图6 不同加宽对基底沉降的影响

两侧加宽对路基变形的影响。由于路基为对称结构，所以模型取一半计算，两侧加宽时每侧加宽的宽度为2m、4m、6m、8m。

如图4所示，两侧路基加宽后，原有路基中心的沉降越来越明显，路基加宽至4m、8m、12m、16m时，路基中心竖向沉降值分别为2mm、4.5mm、6.3mm、7.7mm，拓宽宽度的增幅与沉降增加的差异程度没有明显的比例关系。拓宽越大，路基中心沉降越大，随路基加宽越来越大沉降增幅逐渐减小。

如图5与图6所示，两侧不同拓宽宽度与单侧加宽时路基表面及基底的沉降曲线均类似，从路基中心向外表现出先增大后减小的趋势。随拓宽值加大，沉降较大的区域有向外侧边缘发展的趋势。单侧和双侧加宽拓宽道路的不同之处是：

若采用两侧路基加宽方案，新旧路基差异沉降少，当前实际施工中，为了保证道路两侧的受力均匀，通常会采用两侧加宽路基的方案，路基两侧均加宽后，路基整体对原有路基附着力提高，新旧路基结合为一个整体，呈现整体性的沉降，故新旧路基之间差异沉降较小。从建造成本来分析两侧加宽，一是施工难度加大，二是运营与施工成本加大。

结语

拓宽后最大竖向位移呈倒钟形分布，主要出现在新路基一侧。拓宽后，竖向应力的最大值呈现明显增大趋势，在新铺设路基底层中心处出现了最大竖向应力值。路基拓宽前，地基水平位移峰值出现在旧路基正下方，路基拓宽后，水平位移峰值出现在新铺设路基坡脚下边缘。

经过对比两种加宽路基的方案，采用两侧路基加宽，新旧路基差异沉降少，保证了道路两侧的受力均匀，路基整体性强对原有路基附着力提高，新旧路基呈现整体性的沉降，新旧路基之间差异沉降较小。