咸宁地区新旧路基换填变形控制研究

程 桂 萍

(中国铁建港航局集团有限公司，广东 珠海 519070)

0 引言

在过去的几十年中，随着基础设施建设的兴起，我国的公路里程大幅度增加，截至2019年，中国的公路总里程已达484.65万km。但是20世纪时期修建的高速公路，受到当时落后的施工技术等因素的限制，这些道路目前由于一些设计问题及各种道路病害从而导致其在今天的运输能力越来越差，已经不能满足日益增长的车辆通行需求，因此，为实现交通运输新的跨越式发展，我国接下来面临的公路改扩建工程会越来越多。在进行旧路改造的工程中，由于长年的固结变形，旧路路基的沉降早已完成，除非发生外界因素否则几乎不会再发生变形。而在换填旧路后，由于新路基的固结会产生新的沉降，会导致新旧路基表面产生不均匀的沉降变形，当变形超出一定范围时，会导致新旧路基的表面产生纵向裂缝，进而影响道路的正常使用功能[1,2]。根据国内外已有的工程实践经验，由于新旧路基换填差异沉降从而导致的路基路面变形和开裂的现象十分常见，因此，新旧路基的差异沉降的处理成为公路改扩建工程中一个非常重要的问题[3-6]。

针对软土地区路基扩改，国内外虽有一定的研究，但由于大部分研究仍然将该路基扩改简化成简单两种堆积体进行研究，未考虑边界面、时间效应和多重附加荷载的影响。因此，本文考虑新旧路基换填后通过碾压达到设计标高时，新旧路基的沉降变形、相互作用，通过离散元软件对新旧路基的协同工作性能进行研究，为软土地区公路拓宽改造方案及处治对策提供依据。

1 工程实例

1.1 工程概况

本工程为S356一级公路横沟镇白毛村至横沟镇杨畈村段项目土建工程施工第01标段，位于湖北省咸宁市咸安区横沟镇内，公路等级为一级公路，路基主要为整体式路基，整体式路基宽度20 m，其中部分路基分离，分离式路基宽度19.50 m，公路线全长5.6 km。主要工程量有路基挖土方约73 640.2 m3；路基填筑利用土方约46 136.2 m3，利用石方(开山毛渣)约20 069.6 m3；路基水稳层约2.55万m3；路面沥青层约1.55万m3；排水工程约5 597.7 m；桥涵共7道，圆管涵5道、倒虹管2道；绿化工程4 461 m2；安全防护工程10 705.2 m；本标段同时包含K0+000～K3+200范围内的路面沥青加辅工程施工。

1.2 工程地质条件

本工程所在区域地处鄂南幕阜山和长江之间的过渡带，属侵蚀剥蚀垄岗地貌，区内海拔约19 m～56 m，地势低缓，沟谷切割较浅，切割深度在10 m～40 m之间，相对高差不大，斜坡坡角多50～150，局部可达100～200；水塘沟渠较多，房屋建筑较少，多为2层～3层高的民房，周边植物茂密，多为杂木、竹林、苗圃和茶园。沿线基岩一般埋藏较浅，局部直接裸露，风化严重，多为残积物掩盖；谷底有较厚的洪积物、坡积物或冲积物，局部分布有薄层淤泥等；在边缘带常有结构松散的新近堆积物。沿路线的地层为第三系～白垩系的砂岩、砾岩，并覆盖第四系的粉质黏土或含碎石粉质黏土，厚度约为0.5 m～3 m，在此之下大部分为全风化砂岩和砾岩，局部有少许页岩出露。

1.3 水文地质条件

本工程区气候温和，降水充沛，日照充足，四季分明，无霜期长。区内地下水补给来源有大气降水的下渗，沟渠、溪沟及灌溉入渗补给。松散岩类孔隙水主要接受大气降水补给；基岩裂隙水则接受大气降水及上部地层松散岩类孔隙潜水的下渗补给。上层滞水主要赋存于填土层，孔隙潜水赋存于第四系地层，主要受大气降水补给，水量季节性变化明显，一般较贫乏，勘察期间测得地下水埋深0.5 m～1.6 m。地下水径流及排泄与临近的水网有互为补给和排泄关系，季节性明显。表层毛细水、薄膜水蒸发是其主要的排泄形式，径流量很小。

综上所述，勘察区水文地质条件比较简单。地下水与沟塘、溪沟等地表水体具有较强的互补性，丰水期地下水上升，补给周围的地表水体，枯水期则反之，对混凝土结构和钢筋具有轻微的腐蚀性。

2 数值模拟

本文用颗粒流软件对新旧路基替换变形过程进行数值模拟，对新旧路基的替换过程及碾压之后路基沉降进行数值分析。

2.1 模型建立

为了研究新旧路基替换过程中路基内部变形规律，做出如下颗粒流模型假定：1)采用二维数值模型来模拟轴对称新旧路基替换过程。2)颗粒间的接触模型是平行黏结模型，而垫层采用线性模型，二维颗粒为圆形。3)在新旧路基替换之后的路面碾压过程中，模型不考虑颗粒破碎的情况。4)模型中的颗粒均为各向同性的均质材料，采用“墙”作为模型中的刚性边界。5)模型采用给定的初始空隙率均匀生成最大、最小粒径之间的颗粒。本文模型设计尺寸为长为20.0 m，高为5.33 m。新旧路基共分为4层：沥青：厚度0.1 m，重度12 kN/m3;混凝土：厚度1.24 m，重度24 kN/m3；垫层：厚度1.33 m，重度18.8 kN/m3；基层：厚度2.66 m，重度18.2 kN/m3。采用台阶式替换原有开裂的路基层。

新旧路基的参数的选取如下：颗粒最大粒径为200 mm；颗粒最小粒径为20 mm；摩擦系数为0.5；颗粒之间的法向刚度为8.5 MN/m，且颗粒法向刚度与切向刚度的比值为1.0。建立新旧路基替换颗粒流模型，如图1所示，固定左右墙体，即墙体的运动速度为零，为了更好地模拟新旧路基替换的过程，采用fish语言进行伺服系统来让模型达到理想的模拟状态。

颗粒流模拟过程分析：1)进行重力平衡，进行土体固结；2)进行伺服系统，达到理想状态；3)施加荷载达到指定标高，获得路基内部规律；4)进行新旧路基替换；5)重新施加荷载，达到设计标高；6)提取相关结果，进行新旧路基替换结果分析。

2.2 模型结果分析

为了研究新旧路基替换过程中路基中部变化规律，需要在颗粒流模型中设置测量圆来获得颗粒之间的运动趋势、接触力、孔隙率、配位数、颗粒位移场以及应力场的变化规律，如图2所示。

为了更好地了解新旧路基换填的内部颗粒变化规律，通过模型中的三个测量圆测得未换填与换填之后的孔隙率、配位数、位移场以及应力场的变化指标。

新旧路基换填的颗粒孔隙率如图3所示，随着达到设计标高的过程中，路基内部孔隙率变得越来越小。初始状态下，换填后路基的孔隙率比未换填路基的孔隙率要小，路基边坡的孔隙率相比较而言大，表明换填后路基达到设计标高时孔隙率更低，更加紧实。

配位数是评价颗粒流分析中颗粒体系接触良好的指标，配位数的值越大，说明颗粒接触越好。由图4可知，越靠近路基中心，颗粒的配位数越大，换填后路基的配位数比未换填路基的配位数大，说明换填后路基颗粒之间接触更加充分。同时，路基边坡区的配位数相对而言较小。

通过在路基内部设置三个测量球来探究新旧路基换填过程中颗粒沉降规律，测量球的位置分别距离路面为4.0 m,2.0 m以及0.5 m。图5为三个测量球在新旧路基换填的沉降图，由图5可知，在达到设计标高时，新旧路基换填的沉降基本上相等，在靠近路面的沉降速度基本一致，但靠近路面4.0 m的沉降速度出现差别，换填后路基的沉降速度由小变大，未换填路基的沉降速度由大变小。

图6为新旧路基换填的模型内部应力图，由图6可知，在路面达到设计标高时，未换填路基的应力在靠近路基中心的应力偏大，而靠近路基边坡的换填后路基的应力偏大，这说明换填后填土对路基边坡压力过大。

3 结语

本文利用颗粒流数值软件对新旧路基换填过程中进行沉降变形规律研究。结论如下：

1)达到设计标高时，换填后路基的孔隙率比未换填路基的孔隙率低，可以得出换填后路基的颗粒压密效果越好。

2)换填后路基的配位数比未换填路基的配位数大，换填后路基更加密实。

3)新旧路基换填达到设计标高时最终沉降基本一致，但是远离路面的沉降速度由快到慢。

4)靠近路基中心，换填后路基的应力比未换填路基应力小，而在路基边坡换填后路基的应力大。