拓宽路基差异沉降的影响因素及其有限元分析

拓宽路基差异沉降的影响因素及其有限元分析

苏延敏1文堂辉2

(1.兰州铁道设计院有限公司地路所，甘肃兰州 730000；

2.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉 430056)

【摘 要】阐述了单、双侧加宽宽度、土基压缩模量、路基高度及新老路基下地基固结程度差异等因素对拓宽路基沉降的影响特点。针对新旧地基不同固结程度对拓宽路基差异沉降的影响进行重点分析，应用有限元程序建立了差异沉降的计算模型，从沉降和水平位移方面分析了新旧地基不同固结程度对公路拓宽路基的影响。结果表明：新旧地基的固结程度差异会影响沉降曲线的形状，尤其对差异沉降的影响较大。计算拓宽路基差异沉降时，必须考虑新旧路基压缩模量的差异。

【关键词】道路工程；新旧地基；固结程度；差异沉降；拓宽路基

【中图分类号】U416 【文献标识码】A 【文章编号】1008-1151(2010)03-0081-03

在道路路基拓宽工程中，拓宽路基由于新老路基修建历史、固结程度差异、填料和压实度的差异，新老路基顶面将产生横向不均匀沉降变形，这种变形常导致路面开裂甚至滑移，严重影响道路的使用性能。新老路基拼接中差异沉降的机理和影响因素方面已有不少学者作了这方面的研究。文献[1]对高速公路拼接段的沉降变形规律进行了分析。文献[2-3]认为：不均匀沉降将会在路面结构中产生附加应力和附加力偶，当附加应力超过路面材料本身的容许强度时，路面便会产生结构性破坏，并且在附加应力和附加力偶的共同作用下，还有可能使本来坚固的旧路基发生剪切破坏或结构破坏。文献[4]分析了桥台后高填方路堤工后沉降的影响因素，认为：弹性模量、渗透系数、容重、施工间歇期是影响近桥台处路堤沉降的主要因素，泊松比、参数β和摩擦系数为次要因素。文献[5]对拓宽路基差异沉降特性和影响因素进行了探讨，重点分析了单、双侧加宽宽度、土基压缩模量、路基高度对路基差异沉降的影响。由于公路工程实践的多样性和不确定性，不同的扩建方式、路基高度、土基压缩模量等各种不同工程条件都会引起差异沉降。本文主要研究拓宽路基差异沉降的特点和主要影响因素，并且针对新旧地基不同固结程度对拓宽路基差异沉降的影响进行重点分析。这对了解拓宽路基差异沉降机理对拓宽道路的早期破坏的影响具有重要意义。本文以南-茅公路拓宽工程作为依托实体，从沉降和水平位移方面分析了新旧地基的不同固结程度对公路拓宽路基变形的影响。为采取相关措施降低拓宽公路路基差异沉降提供参考。

（一）拓宽路基差异沉降影响因素分析

1.单、双侧加宽宽度

就单侧加宽而言，差异沉降的增加和拓宽宽度的增加是不同步的,当拓宽宽度较小时，最大沉降发生在新路基路肩边缘处，随着拓宽宽度的增加，路基最大沉降点越靠近道路内侧，且在新路基出现反向横坡，即在新路基出现凹陷，在雨季容易出现雨水积聚，使路面使用功能下降且造成路面水损害。路面拓宽宽度越大，则在拓宽路基“～”形沉降曲线中的凹形沉降盆就越明显，这不仅仅容易造成积水，在行车荷载作用下，路面底部受差异沉降附近拉应力和荷载作用拉应力双重作用，极易造成路面纵向开裂。因此，建议公路拓宽宽度以8m为宜，即拓宽2车道。

双侧加宽的差异沉降曲线基本与单侧加宽相同，但新旧路基的最大差异沉降略有减小，这是由于双侧加宽使得旧路基两侧的受力得到平衡，新路基自重荷载对旧路中部的附加应力得到增加，从而使得旧路中心也发生较大的沉降，相应的减小了拓宽路基的差异沉降。若对于相同的拓宽宽度，双侧加宽能使得加宽路堤重量分配到旧路两侧，将极大的改善新旧路基沉降曲线形态，对路面结构的受力也是有利的。双侧拓宽还可以减少拓宽所需土石方量。

2.土基压缩模量

土基强度提高速度和沉降减小的速度不成比例，存在减速性。根据相关文献的计算结果可知，土基强度从2MPa增加到4MPa，最大沉降减少12.46cm，而从8MPa增加到1OMPa，最大沉降才减少1.3cm。也就是说，当提高相同的强度时，土基越软弱，则对降低沉降的效果越明显。这也从一个侧面反映出对于软弱地基进行处理的必要性。土基在不同强度条件下，拓宽路基最大差异沉降也不同，基本上，土基强度越低，拓宽后最大差异沉降越大。土基强度变化时，拓宽路基顶面越远离旧路中心点，沉降变化越明显。

3.路基高度

路基填土高度越高，拓宽路基不均匀沉降越大。且路基填土高度越小，拓宽路基顶面沉降曲线越接近“～”形。填土高度越小，新路基对旧路基的影响越小，旧路基的沉降越小，故沉降曲线前段越平缓；而因为填土高度小，旧路基对新路基的沉降影响作用也较小，旧路基坡脚线与新路基路肩间有相当的距离，沉降曲线受旧路基边坡影响发生渐变的效果不明显，使得沉降曲线后段也比较缓和。

（二）不同固结程度对差异沉降影响的分析模型

1.差异沉降的模型假设

【收稿日期】2009-12-19

【作者简介】苏延敏（1982-），男，甘肃庄浪人，兰州铁道设计院有限公司地路所助理工程师，从事地质勘查与岩土工程。

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（1）按空间问题考虑，进行三维有限元分析； （2）土体为弹塑性材料，采用Drucker—Prager模型进行模拟，采用SOLID一45单元，空间8节点等参元；

（3）新旧路基接触面完全连续，且不发生滑移； （4）边界条件：地基底面为三个方向完全约束；地基宽度两侧水平约束(X，Y方向)；地基和路基沿公路延伸方向(Z 方向)水平约束；

（5）计算得到的路基沉降为拓宽路基的最终沉降，再通过经验固结系数预估土基工后沉降量；

（6）将新路基当作外部荷载施加到旧路基和土基上，即认为只有新路基受重力作用；

（7）将路面荷载等代为1m的填土荷载。 2.模型计算参数

南-茅公路拓宽工程几何参数和计算参数具体为：用双侧拓宽方式，每侧拓宽8m，边坡坡度为1∶1.5，路基高度取4m， 地基厚取15m。计算长度(沿公路延伸方向)取lm，计算参数如表1所示。

表1 模型计算参数

类 别 R d /(KN·m -3

)

E/MP a μ c/KP a ψ 旧路基 19

50 0.5 28

32 新路基 18 40 0.5 22

28 土基

18.5

0.5

14

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（三）新旧地基不同固结程度对差异沉降的影响

在拓宽路基中，由于旧路地基沉降固结基本完成，因此更难于压缩沉降，必然具有比新地基更大的压缩模量。考虑新旧地基的压缩模量差异，考察其沉降曲线的变化，对比不同旧地基压缩模量的拓宽路基顶面沉降曲线。考虑新旧地基压缩模量差异时的几何模型见图1，其中B 2为旧路基，B 1为新路基，A 2为旧地基，A 1为新地基。

首先假定新路基下的地基压缩模量不变(拟定为6MPa)，改变老路基下地基压缩模量(分别为6MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa)，计算其变化时对沉降及水平位移的影响。图2、图3分别为考虑旧地基不同压缩模量时的沉降曲线和地基表面水平位移变化。

图1 考虑新旧地基压缩模量差异时的几何模型立面图

图2 考虑旧地基不同压缩模量时的沉降曲线

图3 考虑旧地基不同压缩模量时的水平位移变化 从图2可以看出, 当新路基下地基压缩模量不变(6MPa), 改变老路基下地基压缩模量(分别为6MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa)时, 老路附加沉降和新路基沉降都随着模量的增加而减小。拓宽路基最大沉降从10.55cm减小至8.68cm、8.04cm、6.26cm、5.88cm。从图3可以看出, 地基表面水平位移随着老路基下地基压缩模量的提高有着不同的变化。老路基坡脚处向内的水平位移先是逐渐减小，当地基模量增加至13MPa左右时, 其水平位移变为零，之后又随着地基模量的增加而向外侧移动。而新路基坡脚处水平位移则随着地基模量

的增加一直增加，即向外侧移动。

假定旧路基下地基压缩模量保持15 MPa不变，改变新路基下地基压缩模量(分别为4MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa), 计算其变化时对沉降及水平位移的影响。图4和图5分别为考虑新地基不同压缩模量时的沉降曲线和地基表面水平位移变化。

图4 考虑新地基不同压缩模量时的沉降曲线

图5 考虑新地基不同压缩模量时的水平位移变化 从图5可以看出，当旧路基下地基压缩模量保持15Mpa不变，改变新路基下地基压缩模量(分别为4MPa、10MPa、15MPa、20MPa、25MPa)时，老路附加沉降基本没有变化，新路基沉降随着模量的增加而减小。拓宽路基最大沉降从8.68cm减小至

5.62cm、4.66cm、4.12cm、4.68cm，最大差异沉降从8.98cm 减小至4.44cm。当新路基下地基压缩模量提高到10MPa时，沉降的减小最为明显，20MPa以后减小趋势减弱。从图5可以看出，地基表面水平位移随着老路基下地基压缩模量的提高有

着相同的变化趋势，均是从向外侧的水平位移逐渐向内侧移动。老路基坡脚处向内的水平位移先是逐渐减小，当地基模量增加至8MPa左右时，其水平位移变为零，之后又随着地基模量的增加而向内侧移动。而新路基坡脚处水平位移也是向内的水平位移先是逐渐减小，当地基模量增加至20MPa左右时，其水平位移变为零，之后又随着地基模量的增加而向内侧移动。由以上分析可以看出，若不考虑新旧地基的差异，即当新、旧地基压缩模量均较小时，则最大差异沉降偏大。计算拓宽路基差异沉降时，必须考虑新旧路基压缩模量的差异。

（四）结论

1.软土拓宽路基差异沉降的主要影响因素有：单、双侧加宽宽度、土基压缩模量、路基高度及新老路基下地基固结程度差异等，每个因素的影响机理各不相同，在工程实践当中要充分利用每个影响因素作用特点，分别采取不同的措施加以避免。

2.当新路基下地基压缩模量不变、最大差异沉降随着老路基下地基压缩模量的增大而减小。当老路基下地基压缩模量提高到一定量以后，沉降的减小趋势减弱。当旧路基下地基压缩模量不变、改变新路基下地基压缩模量时，最大差异沉降随着新路基下地基压缩模量的增大而减小，减小幅度比前者大。当新路基下地基压缩模量提高到某一定量时，沉降的减小最为明显，再提高到某一定量以后减小趋势变弱。新旧地基的固结程度差异会影响沉降曲线的形状，尤其对差异沉降的影响较大。计算拓宽路基差异沉降时，必须考虑新旧路基压缩模量的差异。

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运输工程学报,2007,7(1).

[7] 孙杰.软土地基高速公路拼宽工程变形特性研究[D].南京:

河海大学,2005.

（下转第112页）

（1）公交车内部无障碍电子通讯装置

公交车厢内应尽可能提供多种标志和信息源如电子报站显示器，加装车外报站语音系统。例如，以触觉和发声体帮助视残者判断行进方向及路线信息；以简单明了、形象化的符号和标志（符号、文字与背景保持最大对比度）引导老年人了解乘车信息；此外还应提供更具针对性的设计和设置以适应各类人群的需求，使他们最大程度地感知其所处环境地状况，消除引起其心理隐忧的各种潜在因素。

每个优先座位的邻近处和轮椅区的邻近处应设有通讯装置，其高度应在距地板700～1200mm之间。无座椅的低地板区的通讯装置，其高度应在距地板800～1500mm之间。所有内部通讯装置的控制应能用手掌操作，并应通过对比色或多种颜色和音调显示。

（2）公交车无障碍标志

轮椅区和优先座位的车辆，应在车辆右侧前部和邻近乘客门处设有从车外可见的标志，并应在车内邻近轮椅区和优先座位处设有标志。轮椅使用者的标志应符合GB10001.1的规定。

（3）无障碍公交出行信息交流平台

公交公司应建立新型公交出行信息系统，使使用者无论在家里、办公室、交通控制中心或公交车站，还是在公交车上都可以获得这些信息。特别是老年乘客、残疾乘客可以通过触摸式电话、个人电脑、国际互联网和电子邮件等多种途径获得出行信息。不但可以预约出行，也可以查看费用和到达时间，或取消出行。

（三）结语

我国社会经济发展所处阶段决定了城市无障碍环境建设的内容。目前，国内无障碍公交车设计的指导思想仍然是满足以残障人士为主的“行动不便乘客”的出行需求，这在一定程度上解决了目前较为突出的交通弱势群体出行需求与设施供给不足的矛盾。从长远角度来看，无障碍设计需要拓展为“通用设计”，即将社会弱势群体与其他社会群体平等对待，这将是今后公交车设计的拓展方向。

【参考文献】

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