旧路拓宽改造后新旧路基变形有限元研究
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摘要：产生裂缝的根本原因在于新老路基产生不均匀沉降和新老路的界面强度低于结构层材料自身强度的缘故。正是由于新老路相连处较大的弯拉应力和较低的界面强度，致使在这样的部位极易产生开裂破坏，从而在结合部位置常出现纵向裂缝。
关键词：道路拓宽；改造；路基；研究
近年来，道路拓宽工程较多，在道路拓宽改造工程完成后，在新老路基上方路面常出现纵向裂缝，裂缝宽度随路堤高度、填土高度及其性质等变化而不同。产生裂缝的根本原因在于新老路基产生不均匀沉降和新老路的界面强度低于结构层材料自身强度的缘故。正是由于新老路相连处较大的弯拉应力和较低的界面强度，致使在这样的部位极易产生开裂破坏，从而在结合部位置常出现纵向裂缝。
1． 有限元分析模型
为了讨论公路拓宽改建后新老路堤与地基共同变形的特性，分析影响沉降的因素，本文借助有限元程序对图1所示的路基进行有限元计算，计算在不同路基模量、地基模量、填土高度以及边坡坡度等因素影响下新老路基顶面，原地基表面的沉降量和地基在不同深度处的侧向位移；分析不均匀沉降产生的原因及其主要影响因素，为地基处治和新路路基填筑提供理论依据。
土的本构模型采用Drucker-Prager(D-P)理想弹塑性本构模型。该模型采用广义VonMises屈服准则，其流动法则采用相关联流动法则，由于是理想弹塑性模型，所以没有硬化准则。
本文数值计算参数变化范围如下：
老路基顶面宽度B0=9m；加宽路基部分宽度B1=9m；边坡坡度采用1：1.5
路堤填土高度H为2，5，10m
老路路基填土弹性模量E1＝50MPa
拓宽部分填土变形模量E2为5，10，20，30，40，50，100Mpa
地基土变形模量E3为2，5，10，20，50Mpa
图1为计算时典型的有限元分析模型，在路基土沉降变形的有限元分析中，将新填筑的路基土和地基土视为弹塑性材料，而将老路路基视为弹性材料，按平面应变问题求解。其中，路基和地基采用平面四边形等参单元，新老路基间完全粘合，无相对滑移。
边界条件为：底面和侧面为固定边界，表面为自由且透水透气边界。
2．老路拓宽变形量计算及其影响因素分析
2.1. 路堤表面沉降不均匀曲线及其影响因素分析
2.1.1 路堤表面沉降沿水平方向分布曲线与填土高度h的关系
经试验可知，路基表面各点的沉降量都随填土高度增加而增大。
通过计算还发现，改建路不同于新建路的一个明显区别在于其表面沉降曲线的形状不同，新建公路的沉降也随填土高度增加而增大，且其曲线形状都可描述为类似抛物线形，最大沉降值点都在路基中部。但对于改建公路，虽然沉降也随填土高度增加而增大，但其表面沉降曲线的形状却不一样，从图中可以看出，曲线的形状随着填土高度的变化而变化。对于低路堤路段（h=2m），拓宽后的沉降曲线由老路基到新路基逐渐降低，在接近拓宽路基段的中部位置达到沉降的最大值，其形状基本呈“勺子”形；随着填土高度的增加，曲线的形状逐渐由“勺子”形向具有单一变化趋势的曲线过渡，对于高路堤路段，这种趋势更加明显，从老路基端部到新路基端部，路基的沉降量始终增大，呈单一变化的沉降曲线。
从这三条曲线还可以看出，在新老路基结合部，其沉降值存在一个类似突变点性质的区域，在这个区域范围内曲线的曲率变化较大，同时，随着填土高度增加，其突变的趋势较明显。因此，在结合部处应适当研究边坡开挖方式，进行加固处治并加强新老路基的衔接。
2.1.2．路堤表面沉降沿水平方向分布曲线与路基模量的关系
经试验可知随着路基模量的增加，沉降值变小。但路基表面各点的沉降值相差不大，尤其在老路基路段，不同模量下的沉降值几乎相同；对于拓宽路基段，路基填土的模量对沉降量有一定的影响。路基土模量的增加，有助于降低路基填土自身压缩量，因此，适当提高填土的压实度是有必要的。
2.1.3．路堤表面沉降沿水平方向分布曲线与地基模量的关系
经试验可知地基模量的变化对于沉降影响较大，随着模量降低，表面各点沉降量明显增加，特别是对于软土地基，如不经处治，将可能导致很大的工后沉降。
2.2 地基表面沉降不均匀曲线及其影响因素分析
2.2.1．地基表面沉降沿水平方向分布曲线与填土高度h的关系
经试验可知随着填土高度的增加，地基表面各点的下沉量也相应增加。
不同填高下的沉降曲线形状基本相同，但最大沉降点并不处于同一位置。当填土高度为2m 时，最大沉降点距离原点6.5m；填高5m 时，最大沉降点距离原点9m；而当填高为10m时，最大沉降点距离原点15m 。所以随着填土高度的增加，最大沉降点逐渐向拓宽路基外侧移动。
2.2.2．地基表面沉降沿水平方向分布曲线与路基模量的关系
经试验可知路基模量主要影响路堤填土自身的固结压缩变形量，因此，对于路堤表面的沉降起一定作用，但对于地基表面的沉降变形，其影响较小。
2.2.3．地基表面沉降沿水平方向分布曲线与地基模量的关系
经试验可知地基模量变化对地基表面沉降变形影响较大，加强地基土处治将大大降低沉降变形量。同时，对应于同一填土高度，地基表面最大沉降点基本处于同一位置，它不会随着土基模量的变化而变化。
2.3 地基侧向位移沿深度方向分布曲线及其影响因素分析
2.3.1．侧向位移沿深度方向分布曲线与填土高度的关系
经试验可知为新拓宽路段路基边坡坡脚下不同深度处的侧向位移与填土高度之间的关系。填土高度增加，侧向位移也相应增加。同时侧向位移最大值点也随着填土高度的增加而下移，对于2m高的填土，其侧向位移最大点位于地基下约4m处；对于5m高的填土，最大值点位于地基下6m处；当填高增加到10m时，侧向位移最大值点的位置下移到了地基下9m左右的地方。
2.3.2．侧向位移沿深度方向分布曲线与路基填土模量的关系
经试验可知路堤土的变形模量对于地基不同深度内的侧向位移值影响不大，不同模量下的位移值接近相等，并且最大值点也几乎处于同一位置。
2.3.3．侧向位移沿深度方向分布曲线与地基模量的关系
经试验可知地基土的变形模量对于其侧向位移的影响较大，变形模量增大时，拓宽路基坡脚下不同深度处的侧向位移量明显减小，但它的最大值点的位置变化较小，基本处于地基表面下同一深度。
3. 小结
通过本文分析，得出以下结论：
(1) 随着填土高度的增加，沉降值和侧位移都显著增大。且沉降最大值点有向拓宽路基外侧移动的趋势，侧位移最大值点呈明显下移趋势。
(2) 地基软弱程度对沉降和侧位移也有较大影响，地基越软，其值越大，但最大值点的位置不随地基模量变化而变化。
(3) 路基填土模量对沉降和侧位移影响相对较小。
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