高速公路拓宽段路基填土参数变化下的力学行为分析

陈 超

（新疆交通科学研究院，乌鲁木齐 830001）

1 引言

近些年随着我国社会经济的快速发展, 高速公路原有的设计通行能力已经不能满足日益增长的交通需求。为了满足交通量的需求和提高高速公路服务水平, 亟需对原有高速公路进行拓宽改建。 高速公路改扩建工程由于新老路基填土固结程度不同, 将会导致新老路基产生差异沉降和损伤应力, 继而反映在路基顶面造成路面的病害,严重影响道路的使用性能。 尤其当拓宽路基直接修筑于未经处治的天然地基上时, 新老路基差异沉降与损伤应力更加明显。 相关文献对新老路 基拼接中差异沉降的机理和影响因素进行了研究。 范红英等利用有限元研究了高速公路加宽方式对沉降的影响[1]；陈磊,章定文等对高速公路加宽过程中的沉降规律、 变形特点进行了分析[2-4]；傅珍、闫强等对高速公路路基差异沉降标准进行了研究[5-7]。以上学者对高速公路差异沉降的拓宽方式、影响因素、沉降规律、沉降标准进行了系统研究,但对于高速公路改扩建工程中不同路基填土参数下的力学行为缺乏深入研究。 因此,本文针对不同路基填土参数下的拓宽路基,采用有限元软件进行数值模拟分析,研究总结了不同路基填土参数下拓宽路基的竖向位移、水平位移、竖向应力与剪应力的变化规律, 以期为高速公路拓宽路基的研究与施工提供参考。

2 模型建立

采用有限元计算分析软件对高速公路拓宽路基进行数值模拟分析时,不需要取结构无限大尺寸,在实际处理这类问题时,通常是在保证计算精度的前提下,对结构取其有限合理尺寸。本模型设计计算中所取的结构尺寸为：原道路宽度为26m,边坡坡率1:1.5,土基高度30m,两侧对称拓宽, 新路基与老路基结合处采用台阶咬合的方式进行搭接,台阶宽1m,高度0.6m。 本文建立模型时选取实际道路模型的一半进行分析计算, 拓宽前后路基计算模型及网格划分如图1、图2 所示。

图1 拓宽路基几何尺寸图

图2 计算模型网格划分

2.1 基本假定

(1)路基土与地基土均为理想弹塑性体,各向同性且均匀分布。

(2)老路与地基固结变形已经完成,老路与拓宽新路结合处不发生相对脱离和滑移。

(3)路基与地基各结构层界面处置良好,为完全连续接触状态,不考虑温度对路基路面应力分布的影响。

(4)对模型进行建立、划分单元时采用板体SOLID-45单元, 空间8 节点等参元, 本构模型选用扩展的线性Drucker-Prager 模型。

(5)采用双侧拓宽方式拓宽,新拓宽部分以原路中心线为中心,对称布置在原路两侧,根据道路结构的对称性,取半幅道路作为研究对象。

2.2 计算参数

路基材料的性质直接影响路基力学计算分析结果,通过对高速公路天然地基改扩建工程上新老地基土的勘探、室内试验的结果以及参照相关工程地质文献,最后选取路基参数包括重度、模量、粘聚力、内摩擦角和泊松比等,具体参数如表1 所示。

表1 计算参数

3 不同土基填土参数下力学行为分析

考虑到高速公路改扩建工程中沿线路基填土的土质弹性模量差异较大,从最小的20MPa 到最高的50MPa 左右, 为了准确的模拟路基填土弹性模量对高速公路改扩建过程中差异沉降的影响, 现分别取20MPa、30MPa、40MPa 和50MPa 等4 种弹性模量的路基填土进行计算分析。 表2 为不同路基填土参数变化下拓宽段的位移与应力值。

3.1 不同路基填土参数下路基竖向位移分析

由表2 和图3～图4 可以看出, 在拓宽路基高度和宽度为定值时,随着路基填土弹性模量的增加,新旧路基竖向沉降在逐渐减小。 当路基填土弹性模量从20MPa 增加到30MPa, 最大竖向沉降从51.11mm 减小到48.20mm,减小幅度为5.7%；从30MPa 增加到40MPa,最大竖向沉降从48.20mm 减小到46.54mm,减小幅度为3.4%；从40MPa增加到50MPa, 最大竖向沉降从46.54mm 减小到45.43mm,减小幅度为2.4%,表明随着路基填土本身弹性模量的增加,竖向沉降在逐渐减小,且减小幅度越来越小。即随着路基填土弹性模量的增加, 路基填土弹性模量控制竖向沉降的功能在减弱并趋近一个定值。

3.2 不同路基填土参数下路基水平位移分析

从表2 和图5～图6 中可以看出, 随着路基填土弹性模量的增加, 水平位移的分布与影响深度在逐渐减小,旧路基部分水平位移较小,而新路基水平位移相对较大。 在新旧路基搭接处水平位移要比新路基与旧路基大, 而且随着路基弹性模量的增加这种变化规律更加明显。 当路基填土弹性模量从20MPa 增加到30MPa, 最大水平位移从4.5mm 减小到3.8mm,减小幅度为15.6%；路基填土弹性模量从30MPa 增加到40MPa, 最大水平位移从3.8mm减小到3.4mm,减小幅度为10.5%；路基填土弹性模量从40MPa 增加到50MPa, 最大水平位移从3.4mm 减小到3.1mm,减小幅度为9.7%。 说明随着路基填土弹性模量的增加,水平位移增加的幅度在逐渐减小,且减小的幅度越来越大, 说明路基填土弹性模量控制水平位移的功能在不断的减弱。

3.3 不同路基填土参数下路基竖向应力分析

从表2 和图7～图8 中可以看出, 在原路基与新拓宽路基采用台阶搭接的方式结合后, 改变了路基中竖向应力的分布, 竖向应力随着路基填土弹性模量的增加而逐渐减小,且其对路基与地基的影响范围也逐渐减小,最大竖向应力出现在新老路基搭接处及其下方地基处。 从图8 中可以看出在路基填土弹性模量为20MPa 时, 最大竖向应力值为157.11kPa； 在路基填土弹性模量为30MPa竖向应力影响范围在拓宽路基正下方及其下方地基,最大竖向应力值为157.06kPa； 在路基填土弹性模量为40MPa 竖向应力影响范围开始减小, 作用深度也比30MPa 时要浅,最大竖向应力值为157.01kPa；在路基填土弹性模量为50MPa 最大竖向应力为156.96kPa,减小幅度为0.03%。 即随着路基填土弹性模量的增加,竖向应力在逐渐减小,竖向应力影响的范围也在同步的减弱。

表2 不同路基填土参数变化下拓宽段位移与应力值

图3 路基填土E=30MPa 时的竖向位移云图

图4 不同弹性模量填土对竖向位移的影响

图5 路基填土E=30MPa 时的水平位移云图

图6 不同弹性模量填土对水平位移的影响

图7 路基填土E=30MPa 时的竖向应力云图

图8 不同弹性模量填土对竖向应力的影响

3.4 不同路基填土参数下路基剪应力分析

图9 路基填土E=30MPa 时的剪应力云图

图10 不同弹性模量填土对竖向位移的影响

从图9～图10 中可以看出,随着拓宽路基填土弹性模量的增加,剪应力分布在逐渐变化,其对路基以及地基的影响范围也在逐渐增大。 最大剪应力出现在新老路基搭接处及其下方地基的位置, 同时在新路基坡脚处存在一个正向最大剪应力。从图10 可以看出在新旧路基与土基结合部出现应力变化不连续现象, 原因在于新旧路基与土基的材料性质差异、不同步沉降造成的。

4 结论

(1)随着路基填土弹性模量的增加,新旧路基竖向沉降与竖向应力在逐渐减小,且减小的幅度越来越小,但新路基沉降大于旧路基沉降, 沉降峰值出现在新路基路肩附近,而旧路基中心线处沉降量最小。

(2)最大竖向应力出现在新路基附近,同时在新旧路基搭接处存在一个较大的竖向应力值。 水平位移随着新路基填土回弹模量的增加, 其分布范围也逐渐发生变化,新旧路基内的水平位移均逐渐减小。

(3)选用弹性模量较高的路基填土能较好地改善路基不均匀沉降, 包括路基顶面最大沉降值和竖向沉降值,但当路基土模量提高到一定程度后, 对改善路基不均匀沉降的效果十分有限。