高速公路拓宽工程中填筑材料对新老路堤变形特性的影响

王景环^{1, 2}，卢义玉^{1, 2}，郭建强³，杜鹏^{1, 2}，汤积仁^{1, 2}，沈晓芸^{1, 2}

(1. 重庆大学 煤矿灾害动力学与控制国家重点实验室，重庆，400044；

2. 重庆大学 复杂煤气层瓦斯开采国家地方联合工程实验室，重庆，400044；

3. 重庆大学 土木工程学院，重庆，400045)

摘要：为解决填挖交界路基非均匀沉降，在填土中分层铺设土工格网等土工加筋材料。基于非线性弹塑性Drucker-Prager模型，采用有限元参数分析方法，结合现场沉降观测资料，探讨路堤填筑材料物理参数对新老路堤附加变形、差异沉降、路堤横坡变化影响规律及土工格栅处治交界处路基非均匀沉降机理。研究结果表明：填筑体压缩模量高且密度低，有利于改善新老路堤不均匀变形和差异沉降的状况；黏聚力c对拓宽路堤竖向附加变形影响较比摩擦角φ大；土工格栅对减小路堤表面的竖向变形效果并不明显，但能有效提高新路堤安全系数及新老路堤的整体稳定性。

关键词：压缩模量；附加变形；差异沉降；Drucker-Prager模型

中图分类号：TU411          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)02-0726-06

Effects of construction materials in expressway widening on deformation characteristics of new and old embankments

WANG Jinghuan^{1, 2}, LU Yiyu^{1, 2}, GUO Jianqiang³, DU Peng^{1, 2}, TANG Jiren^{1, 2}, SHEN Xiaoyun^{1, 2}

(1. State Key Laboratory for Coal Mine Disaster Dynamic and Control, Chongqing University, Chongqing 400044, China;

2. National & Local Joint Engineering Laboratory of Gas Drainage in

Complex Coal Seam, Chongqing University, Chongqing 400044, China;

3. College of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400045, China)

Abstract: The reinforcement materials such as geo nets layered were placed in the filling soil in order to solve the problem of unequal settlement of sub grade at the cut to fill location. Based on Drucker-Prager model, the additional deformation on the new and old embankments, differential settlement, the changing law of the embankment cross slope and the mechanism of using geonets to treat this kind of unequal settlement were analyzed by finite element method and tests on settlement. The results indicate that high compression modulus and low density will help to improve the old and new non-uniform deformation and differential settlement of embankment; Cohesive fore c has the greater affect on the vertical additional deformation of the widening embankment compared to the angle of internal friction φ. The reduced vertical deformation of the surface by geo grid embankment is not obvious, but it can effectively improve the safety coefficient of the new embankment and the overall stability of the new and old embankments.

Key words: compression modulus; additional deformation; differential settlements; Drucker-Prager model

随着国民经济的迅速发展,部分高速公路已不能适应交通量增长和社会发展的需要, 急需拓宽改建。自广佛高速公路加宽工程动工以来，先后有海南环岛东线、沈大(沈阳—大连)^[1]、京津塘(北京—天津—塘沽)^[2]、广佛(广州—佛山)^[3]、沪杭甬^[4-5]等高速公路相继局部或全线扩建。结合国外经验及根据国家经济发展趋势，全国主要经济干线走廊带内，如京广、京沪、京沈高速等，远期将需要10条左右车道的高速公路的通行能力^[6]，因此，高速公路的扩建工程将是本世纪初我国公路建设的新阶段^[7]。另一方面，有待扩建的高速公路主要分布在我国的东部沿海经济发达地区，同时也是我国软土广泛分布的地区。软土地基上高速公路扩建工程中，新老路基的差异沉降问题是目前拓宽道路中常见的问题之一，也是道路在使用后路面产生裂缝导致路基路面整体破环的主要原因^[8]，因此，找出影响新老路堤不均匀变形的主要因素是目前扩建面临的主要问题，探寻减少差异沉降措施对软土地基上高速公路扩建工程实践具有指导意义。许多学者从开挖方式、换填深度、填筑高度等方面进行研究影响新老路堤附加变形因素^[9-12]，但均未考虑填筑材料对新老路堤变形影响。为此，本文依托湖北沪蓉西高速公路贺家坪连接线单侧拓宽工程，通过有限元参数分析法探讨拓宽部分路堤的填筑材料物理力学参数对新老路堤影响，得出路堤附加变形、差异沉降及横坡坡度变化的规律，结合现场监测值验证有限元计算模型正确和计算结果的可靠性。

1  有限元计算参数与模型

拓宽路堤参数如图1所示。如图1所示，原道路路面宽度为6.0m，单侧拓宽8.0m，路基拓宽17.1m，高30m，碎石换填层厚度为2m，新路堤的边坡坡比为1:1.5，距路基顶面8.0m处设一宽为2.0m的平台。老路边坡外侧为老路开挖时的弃方以及山体风化作用形成的残留堆积物，为简化计算，假定这一部分为同一类土体。有限元分析参数具体取值如表1和表2所示。

图1  拓宽路堤的参数示意图(单位：m)

Fig.1  Parameters diagram of embankment widening

拓宽路堤按平面应变问题处理，建立Drucker-Prager非线性弹塑性本构模型。填筑体采用四变形单元，程序中选用plane42单元模拟。格栅采用一维杆单元，程序中选用link1单元模拟。接触面采用Goodman单元，程序中调用点点接触的contact12单元模拟。网格划分中所采用的单元边长为1。结构左右边界分别为横向固定约束，无水平位移，底部为全约束，各方向均没有位移。

表1  新老路基的计算参数

Table 1  Calculation parameters of old and new roadbeds

表2  土工格栅筋材单元计算参数

Table 2  Calculation parameters of polymer-geo grid reinforced material unit

2  路堤填筑材料对路堤附加变形的影响

2.1  填筑材料压缩模量对附加变形的影响

不同的填筑材料的压缩模量存在较大的差异，压缩模量的变化对新老路堤附加变形的影响较大。新填路堤的压缩模量分别为60，80，120，200 MPa 4种工况下进行计算，路基表面位移曲线如图2所示。

从图2可见：随着新填路堤压缩模量的增大，新路基表面水平位移和竖向位移都呈现递减的趋势，新填路堤的压缩模量与老路基边坡的比值越大(或者新路堤与老路堤的压缩模量越接近时)，拓宽路基表面的位移越均匀，差异沉降越小。

4种工况下新路肩到最大沉降点的坡度变化率分别为0.214%，0.195%，0.169%和0.134%，前后坡度变化率的差值分别为0.019%、0.026%和0.035%。可以看出：随着新填路堤压缩模量的增大，坡度变化率的减小呈逐渐扩大趋势，新老路基的差异沉降则逐渐变小。

图2  不同压缩模量下路基表面位移

Fig.2  Surface displacements with different compression moduli

2.2  填筑材料容重对附加变形的影响

新路堤填筑材料的容重存在较大的差异，密度的变化直接影响新填路堤的自重荷载，进而影响新老路堤的相互作用及新路堤的变形形状。选择填筑材料容重分别为16，17，18和19 kN/m³，4种工况下的路基表面位移变形曲线如图3所示。

从图3(a)和(b)可见：随着填料密度的增大，新老路基表面水平位移和竖向位移都有一定程度的增大，新老路堤的不均匀变形明显，最大变形在拓宽后路基的中心处。从图3(c)可见：最大竖向位移随着路堤填筑材料密度的不断增加而以近似正比例不断增加的趋势。

4种工况下新路肩到沉降最大点的坡度变化率分别为0.131%，0.140%，0.149%和0.158%，坡度变化率的差均为0.009%，随着新填路堤密度的增加，坡度变化率也在以相同的速率增大。

2.3 填筑材料c和φ对附加变形的影响

参数c和φ是表征路堤填筑材料的抗剪强度的指标，分析c和φ变化对加宽路堤附加变形的影响有助于选择合适的填筑材料。通过选择不同的c和φ，拓宽路基表面竖向位移计算结果如图4与图5所示。

如图4所示，保持φ不变，变化c得到的新老路基竖向变形曲线和最大竖向位移变化曲线。从图4可见：从老路基左肩至拓宽后路基中心处，其表面竖向位移曲线基本没有变化，而拓宽路基中心至右路肩则随着c的变大而迅速的减小。拓宽路堤的中心处(即竖向变形最大处)，竖向位移呈现出随c的增大而先变大后变小的趋势，在c取得60 kPa时，达到最大值。

如图5所示，保持c不变，变化φ得到新老路堤竖向变形曲线和最大竖向位移变化曲线。从图5可见：φ在0°~50°内变化时，路堤表面的竖向位移变化曲线并没有较大的变化，说明改变φ对拓宽后路基表面竖向位移的变化影响效果并不明显。另外，从图5(b)可见：最大竖向位移随φ的变化而呈现出先减小后增大的趋势，在φ为30°时达到最小值。

图3  不同填料容重下路基表面位移

Fig.3  Surface displacements of sub grade with different bulk densities

图4  路基表面竖向位移随c变化的曲线图

Fig.4  Vertical surface displacement of sub grade with different values of c

图5  路基竖向位移随φ的变化曲线

Fig.5  Vertical surface displacement of sub grade with different values of φ

对比图4与5可见：c增大新拓宽路堤的竖向变形明显变小，改变φ则改变很小。因此，改变填料的c比改变填料的φ可以取得更明显的效果。另外，对于新填路堤应选择具有一定黏聚力和内摩擦角的填筑材料，就本算例而言，c在60 kPa以上，φ在30°左右，在此基础上，过分强调增加填料的抗剪强度c和φ以提高其抵抗变形的能力意义不大。

2.4  土工格栅的应用对附加变形的影响

土工格栅具有强度高、延伸率低、稳定性高等优点，其加筋效果要好于土工布，在道路工程中得到广泛的应用。将土工格栅应用于土体中，可增强地基承载力，对提高路堤的整体稳定性、减小工后不均匀沉降具有一定的作用。

2.4.1  土工格栅的层数对附加变形的影响

土工格栅层数按无土工格栅、1层土工格栅、2层土工格栅和3层土工格栅等4种工况下进行数值计算和对比分析。第1层位于碎石换填层与新填路堤的交界处，然后每隔100 cm向上铺设1层。不同加筋层数下拓宽路基表面竖向位移值其变化曲线如图6所示。

图6  不同加筋层数下路基表面竖向位移曲线图

Fig.6  Vertical surface displacement of sub grade with different reinforcement layers

从图6可见：1层加筋后路基表面的竖向位移曲线比无加筋时有所减小，而1层格栅加筋相对于无加筋时，经计算知其最大竖向位移减小4.58%，说明土工格栅的设置在一定程度上减小差异沉降；铺设2层和3层土工格栅相比无加筋时，其最大竖向位移分别减小5.02%和5.30%。4种工况下新路肩到最大沉降点的坡度变化率分别为0.149%，0.142%，0.141%和0.141%，前后坡度变化率的差值分别为0.007%，0.001%和0。

因此，铺设1层土工格栅能够在一定程度上减小新老路堤间的不均匀变形，铺设2层或更多层土工格栅对减小路面的不均匀沉降并不明显。土工格栅的铺设加强原地面对填土的约束，避免路基顶部有限深度范围的填土出现局部沉降滑动，降低路基顶面和路面结构所受拉应力和剪应力；同时在纵向形成支承刚度逐渐过渡的结构，使得路基顶面沉降趋于均匀，延长产生非均匀沉降变形长度，达到降低路表纵坡坡率变化的目的。

2.4.2  土工格栅的模量对附加变形的影响

土中的加筋必须能承担一定的拉力才能发挥作用，因此，加筋的弹性(抗拉模量)对加筋效果有一定的影响。在碎石换提与新路堤之间铺土工格栅，并改变土工格栅的弹性模量E为2，10，20和38.7GPa进行对比分析，路基表面竖向位移值其变形曲线如图7所示。

图7  不同加筋模量下路基表面竖向位移曲线图

Fig.7  Vertical surface displacement of sub grade with different reinforced elastic moduli

铺设土工格栅网后可降低土体内的垂直应力，体现扩散应力行为，即提高土体变形能力(回弹模量)。土体内垂直应力减少，路基压缩沉降量降低，从而降低土体和路面产生拉裂破坏的可能性。从图7可见：土工格栅的弹性模量越大，则路基表面的竖向位移越小，与不加筋的路基表面竖向沉降相比，2 GPa和10 GPa的竖向变形更大，说明在路堤高度较大时，采用土工格栅的模量较小可能会导致更大路面的不均匀沉降；当路基弹性模量大于20GPa后，拓宽路基表面的竖向位移比无筋时是分别减小1.02%和4.57%，提高土工格栅的弹性模量对改善拓宽路基表面的变形功效并不明显，但可以提高新填路堤的整体稳定性。

结合Geo-slope软件分析本工程的稳定性，土工格栅对路基稳定性的影响如图8所示。从图8可见：在路基下部(二阶边坡处)设置土工格栅，由于土工格栅的加强作用，最危险滑动面位置由路基下部转移到路基上部，路基的稳定安全系数由1.025提高到1.432。在路基中铺设土工格栅对于减小路面的变形效果不明显，但能有效提高新填路堤稳定安全系数及路堤的整体稳定性。

图8  土工格栅对路基稳定性的影响

Fig.8  Influence of geo grid on embankment stability

3  计算结果与监测值的对比

选取拓宽截面最大的断面进行数值分析。有限元计算基本假定与计算假定相同，各填筑材料的物理力学指标采取表1和表2中的计算参数，拓宽路堤的几何参数如图1所示。断面地基深层水平位移的计算值与实测值如图9所示。

从图9可见：地基的计算值与实测值存在一定的误差，源于计算简化模型与实际地质情况的差异、计算值读取的差误、观测仪器的误差等，但是，计算值与监测值在地表水平位移的变化趋势是一致的，因此，采用DP非线性弹塑性本构模型分析高速公路拓宽工程填筑材料影响新老路堤变形特性，计算模型正确及计算结果可靠。

图9  地基深层水平位移监测值与计算值对比

Fig.9  Comparison between observation values and calculated values of horizontal displacement of deeper level groundsill

4  结论

(1) 压缩模量高、容重力小的填筑材料能有效改善新老路堤的相互作用及新路堤的变形形状，减少新老路堤不均匀变形、差异沉降。

(2) 填筑体的压缩模量与老路基边坡的比值直接影响拓宽路基表面的位移均匀变形、差异沉降、横坡坡度比。

(3) 新老路堤竖向位移随c增大而先变大后变小，而当φ为0°~50°时，表面的竖向位移变化小，最大竖向位移随φ先减小后增大，且最大变形在拓宽后路基的中心处。

(4) 加铺弹性模量高、数量一定的土工格栅对减少新老路堤竖向变形效果并不明显，但在一定程度上能减小新老路堤的不均匀变形，减少差异沉降，并有效提高新填路堤的整体稳定性。

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(编辑  邓履翔)

收稿日期：2012-02-09；修回日期：2012-05-30

基金项目：中央高校基本科研业务费科研专项(CDJZR10248801)

通信作者：王景环(1980-)，男，江西抚州人，博士研究生，从事软土路基沉降研究；电话：023-65106640；E-mail：wangjinghuan_000@sina.com