山岭地区公路工程加宽扩建数值模拟分析_林斌强.pdf

CM&M 2023.0149现状道路宽度和等级远不能满足现有的交通发展需求。为改善山区的出行条件和吸引入山游客，需对道路进行加宽改造，根据区域地形地质条件，拟计划将原路基面宽度增加至 13.0m，如图 1 所示。2 计算参数的选取及数值模型的建立2.1 计算参数的选取扩宽道路的典型道路 1/2 横断面如图 2 所示。道路的横断面主要有加宽路基、原有路基和地基组成，新旧路基的填筑坡率皆为 1:1.5。由于地基在原有路基上部长期车辆荷载作用以及自重固结沉降下，其强度和稳定性较好，因此选取较大的计算参数值，以减少对新旧路基的沉降影响。加宽路基与原路基的物理力学计算参数，根据地质钻0 引言山区地形复杂，公路建设困难，对既有公路进行升级改造，成为提高公路等级和改善山区交通基础设施的有效途径之一。对旧公路的扩建面临着与新建公路截然不同的诸多问题，如新旧路基衔接不良导致路基失稳、路面工作性能下降，路基横向不均匀沉降引起反坡等，极大地限制了山区公路工程的建设与发展1-3。目前针对新旧路基的衔接方面，国内外研究学者主要集中在对新旧路基不均匀沉降的处置方面。J.H Forsman、V.M Uotinen 等通过采用土工合成材料的措施对路基进行加固，减小了路基的水平应力，并利用有限元模拟进行了土工合成材料的数值分析4。唐朝生、范红英等研究了新旧路基的拼接工艺等，采用分台阶开挖、夯实、增加土工格栅等措施，改善路基结构、填筑的密实度和受力性能，进而降低了路基的不均匀沉降5。上述诸多研究主要集中在对路基沉降的事后处置上，而对新旧路基不良沉降产生的机理以及其影响因子等方面研究较少。本文依托福建某山区公路工程项目，在分析工程基本建设概况的基础上，采用有限差分软件建立新旧路基分析模型，研究加宽高度、加宽宽度对原有路基和加宽路基的影响，研究成果可为山区公路工程的加宽设计和施工提供参考。1 工程概况福建某山区公路为三级公路，为县域交通干线，经过山岭重丘地区，沿线地形复杂，坡度较大，路基填挖方较多。由于受山区地形条件和区域经济条件的限制，原设计路基高度不等，主要为 3.0m、4.0m、5.0m。原设计路面较窄，路面宽度为 6.0m，局部为 5.50m。为双向 2 车道，路面为混凝土结构。目前年平均昼夜交通量达到4000辆，车行限速为50km/h，山岭地区公路工程加宽扩建数值模拟分析林斌强摘要：山岭地区公路工程受地形条件限制，路面宽度较窄，为改善区内交通状况和促进经济发展，往往需要对路面宽度进行拓宽。依据某山区公路工程项目，在现有路基断面形式的基础上，采用有限差分软件建立计算模型，分析加宽宽度、加宽高度对原有路基和加宽路基的沉降影响。研究表明：路基的沉降最大值主要集中在路基表面，向填筑体内部路基的沉降逐渐减小；加宽路基的沉降与加宽高度、加宽宽度有明显关系，随着后两者的增加，前者呈非线性增加后有所降低。而原有路基的沉降受加宽路基的加宽宽度影响不明显，受加宽高度的影响较小。关键词：山岭地区；公路工程；路基加宽；数值模拟（福建省港航勘察设计院有限公司，福建福州 350002）图1 山区公路工程扩宽图2 典型道路1/2横断面沉降观测点加宽路基原有路基地基道路中心线50工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工探资料综合分析确定，如表 1 所示。为了更好地分析沉降数据，在新旧路基表面布置沉降观测点，以道路中心线为原点，测点布置分别为1.5m、3.0m、3.7m、4.4m、5.1m、5.8m、6.5m。2.2 数值模型的建立为揭示新旧路基的沉降规律，提高计算结果的可靠性和运行速率，在建立数值模型时对现实的扩建道路进行一定程度上的简化。建立模型时，做出以下假设：原路基、加宽路基和地基为各项同性体，材料的力学性能在空间方向上均匀、连续、无差异；路基结构为长条形结构，满足平面应变问题的各种条件，为保证计算精度，沿路基轴线方向上取长度为 1.0m；忽略地下水、地表水和雨水的影响；原路基与加宽路基之间的过渡连续，不出现沿衔接面的相对滑动；地基底部边界对竖向和水平向皆进行约束，而在模型两侧边界设置水平向约束，路基顶面为自由面；由于路基的对称性，计算采取 1/2 路基结构进行求解；计算时，原路基、加宽路基、地基的本构均服从摩尔-库伦准则。采用 FLAC 3D 有限差分软件建立计算模型，利用软件内嵌的四方形网格划分程序，对原路基、新路基和地基分别进行网格网格化，具体的计算模型如图 3 所示，共获取计算节点 9536 个，网格数 1209 个。3 计算成果分析3.1 不同路基加宽宽度的沉降分析考虑到不同路基加宽深度对新旧路基沉降的影响，分别将路基的加宽宽度设置为 2.0m、3.0m、3.5m，高度统一设置为 3.0m，图 4 为数值模拟计算云图。从图 4 可以看出，路基的沉降主要发生在新填筑路基部分，沉降较大值主要集中在路基表面，随着加宽路基填筑宽度的不断增加，沉降位移最大值从路基顶部向填土内部呈梯度衰减。云图中深色区域沿着新填筑土坡率逐渐扩大和扩深，而原有路基的沉降与加宽路基的宽度关系不明显。由此表明，在施工建设中，有必要对加宽路基的上部采取一定的措施进行刚度加强，比如提高路基压实度、辅助土工格栅等措施。图 5 为不同路基填筑宽度时，路基顶部不同监测点位置的沉降曲线，监测点的布置如图 2 所示。由图 5 可以看出，表 1 计算指标参数名称重度/kNm-3黏聚力c/kPa内摩擦角/弹性模量E/MPa泊松比地基25.019004241000.18原有路基20.02230420.35加宽路基18.72223200.35图3 加宽扩建路基计算模型图4 不同填筑宽度路基的沉降云图c 填筑宽度为3.5mb 填筑宽度为3.0ma 填筑宽度为2.0m图5 不同加固宽度路基沉降曲线距离/m加宽2.0m加宽3.0m加宽3.5m沉降量/mmCM&M 2023.0151随着填筑宽度的增加，原路基（距离小于等于 3.0m 范围）的沉降基本不变。而对于加宽路基，随着距离道路中线的增大，加宽路基的沉降值呈非线性增大。当路基扩宽宽度大于 3.0m 后，路基的沉降曲线出现先增大后减小的趋势，且沉降最大值向新填筑路基的路肩方向移动。填筑宽度为2.0m、3.0m、3.5m 的沉降最大值分别为 4.01mm、6.88mm、9.06mm，环比增幅越来越大。3.2 不同填筑路基高度的沉降分析考虑到路基填筑高度对路基沉降的影响，根据实际线路中原有路基的填筑高度，分别选取高度为 3.0m、4.0m、5.0m 进行计算，加宽宽度分别设置为 3.5m。图 6 为不同填筑高度时，加宽路基的沉降云图。从图 6 中可知，加宽路基的高度对沉降的影响与加宽宽度影响规律一致，路基沉降的最大值主要发生在路基表面，且向填筑土体内部不断折减扩散，呈现出圆弧形。图 7 为加宽路基不同高度时的沉降曲线。从图 7 中可以看出，原路基（距离小于等于 3.0m 范围）的沉降值，随着路基高度的增加有略微的增加。这是由于新填筑路基相当于对原路基增加上部荷载，原有路基在荷载作用下进一步压密沉降。在路基横向上，新填筑路基自身的沉降呈现出非线性增加后减小的趋势，且最大位移发生在接近路肩位置。新填筑路基的沉降受路基的填筑高度明显影响，随着高度的增加，其沉降值也增加。在填筑高度为3.0m、4.0m、5.0m 时，沉降最大值分别为 2.50mm、3.58mm、4.03mm，环比增幅有所减小。4 结论山岭地区公路工程受地形条件限制，路面宽度较窄，为改善区内交通状况和促进经济发展，往往需要对路面宽度进行拓宽。本文依据某山区公路工程项目，在现有路基断面形式的基础上，采用有限差分软件建立计算模型，分析加宽宽度、加宽高度对原有路基和加宽路基的沉降影响。研究结果表明：路基的沉降最大值主要集中在路基表面，向填筑体内部路基的沉降逐渐减小，表明在施工建设中，有必要对加宽路基的上部进行一定的措施进行刚度加强，比如提高路基压实度、辅助土工格栅等措施。加宽路基的沉降与加宽高度、加宽宽度有明显关系。加宽路基随着加宽宽度的增加，沉降曲线呈非线性增加后有所降低，且沉降最大值向新填筑路基的路肩方向移动。而原有路基的沉降受路基的加宽宽度影响不明显，加宽高度增加时略有增加。参考文献1 刘金龙,张勇,陈陆望,等.路基拓宽工程的基本特性分析 J.岩土力学 2010,31(7):2159-2163.2 邓宗伟,刘宝琛,等.山区拓宽公路挡土墙路基的受力与变形 特征分析 J.岩土力学 2007,28(5):921-926.3 范红英,折学森,边汉亮,等.高速公路拓宽方式对路基沉降的 影响 J.交通运输工程学报 2012,12(1):13-18.4 傅珍,王选仓,陈星光,等.拓宽路基差异沉降特性和影响因 素 J.交通运输工程学报 2007,7(1):54-57.5 唐朝生,刘义怀,施斌,等.新老路基拼接中差异沉降的数值 模拟 J.中国公路学报 2007,20(2):13-17.图6 不同填筑高度路基的沉降云图c 填筑宽度为5.0mb 填筑宽度为4.0ma 填筑宽度为3.0m图7 不同填筑高度路基的沉降曲线距离/m3.0m4.0m5.0m沉降量/mm