道路扩建工程中路堤拼接部力学特性研究

 邓松  李方超  姚波

(1．南京市市政设施综合养护管理处南京  210011;

2．南京理工大学土木工程系  南京  210094)

摘要  道路扩建工程中加宽路堤的填筑将会改变原有路基、路面的应力场和应变场，引起新旧路堤拼接部产生不均匀塑性累积变形和附加应力。文中研究了道路扩建工程中路堤拼接部力学特性。结果表明，道路加宽后路面最大剪应力出现在新旧路堤拼缝旧路侧1m左右的位置，最大横向拉应力出现在路堤中线位置。剪应力相对拉应力较小，应加强拼缝处的抗拉性能。道路加宽宽度越大，对地基和路堤的沉降影响越不利。道路扩建工程须重视拼接部位地基和路堤不均匀沉降及其引发的病害，并采取适当的措施予以解决。

关键词  道路扩建  路堤拼接  不均匀沉降  有限元分析

 新旧道路拼接部位的不均匀沉降及其引发的病害是高速公路扩建工程中的主要技术问题之一。新路堤填筑施工时，旧路堤已经过多年行车荷载的反复振动、冲击与压实，同时也经受了多年的气候变化，以及地下水升降变化的影响，路堤填土的密实度已接近或达到最佳密实状态，沉降已趋于稳定；而新填路堤尽管严格按照设计与施工规范进行碾压，但由于未能充分经受荷载作用和外部环境条件的变化，必然要经历固结沉降的过程，在扩建工程完成后长期交通荷载作用下，新旧路堤拼接部产生路面结构的不均匀塑性累积变形和附加应力，从而引起纵向开裂并将裂缝反射到路面，减弱路面的整体强度，影响道路的使用性能。

 新旧路堤的差异变形主要是由3部分组成：地基在新路堤荷载作用下发生的固结变形；新路堤在自身荷载作用下发生的压缩变形；新路堤在行车荷载作用下发生的累计塑性变形。目前国内多用分层总和法和有限单元法来计算差异沉降，但分层总和法无法考虑新旧路堤的相互影响，在新旧路堤接合处的差异沉降计算值偏大，不能有效地模拟路堤沉降差异的横断面形状，且只能计算出地基顶面的不均匀变形，无法反映出路堤顶面的实际沉降横断面图，而后者对路面结构的受力状态有着较大的影响。本文通过有限元方法研究新旧路堤拼接部路面结构的力学特性，为高速公路扩建工程中新旧路堤接合部处治措施的设计提供参考。

1  有限元计算模型和材料参数

本文计算模型基于双向4车道公路扩宽工程，顶面宽24 m，采用在原有道路两侧对称加宽的方案。新路堤拼接宽度6分别取4，8，12 m，路基横向宽度取50 m。由于路堤结构的对称性，为保证计算精度并减小模型和减少计算量，取一半结构进行计算，在对称面处施加对称边界条件，即平面外移动和平面内旋转被设置为0。路面纵向长度取15 m，计算时也取一半结构，即7.5 m。新1日路堤高度均取5.0 m，旧路堤和加宽路堤边坡均取1：1.5。道路拼接结构几何模型见图1。

本文采用Abaqus有限元软件，研究扩建道路路堤拼接部路面的力学特性。对于国内大多数扩建道路，旧路路堤均可认为已经完成固结沉降，因此路面原结构层和旧路堤假设为均质连续、各向同性的线弹性材料，其力学特性采用弹性模量E和泊松比u表征，采用C3D8R单元模拟，其计算速度快、位移结果较精确，特别适用于细分网格；扩建侧路堤为弹塑性材料，用Mohr-Coulomb模型模拟；路基路面结构层材料参数取值见表1。

由于地基尺寸大于路堤，而荷载施加于路面表面，因此划分网格时采用局部加密的方法，地基单元划分较为稀疏，而路面和路堤单元较细密。汽车荷载按照单轴双轮荷载考虑，轴重100 kN，按面积等效转换为0.2 m×0.2 m的方形荷载，中心间距0.3 m，轮胎地面接触压力为0.7 MPa，并假定轮载作用于新路面的最外侧。边界条件为地基底面完全约束，地基外侧横向位移约束。有限元模型见图2。

2有限元计算结果

2.1变形计算结果

道路加宽宽度为8m时地基表面沉降见图3。

 由图3可见，由于新路堤的影响，路堤中心线处地基向上略有拱起，但位移较小。从路堤中心线向外，地基的沉降值不断增大，在旧路堤边坡坡角附近产生最大沉降，最大沉降值约7 cm，再向外侧时沉降又开始减小。因此，新路堤引起地基产生不均匀沉降，影响路面服务性能。

表2列出了不同道路加宽宽度下地基表面的沉降情况。

 由表2可见，随着道路加宽宽度的增加，施工期末旧路路堤中心处的位移增大，但最大不超过1 cm。最大沉降的位置随加宽宽度的增加而向外移动，最大沉降值也随加宽宽度的增加而增加，加宽宽度为12 m时，最大沉降可达9.8 cm，因此道路扩建加宽工程必须高度重视拼接部位地基不均匀沉降及其引发的病害，并采取适当的措施予以解决。

图4为道路加宽8m时路堤表面的沉降。

 由图4可见，从路堤中心线向外，路堤表面的沉降不断增大，而且沉降变形主要发生在新加宽路堤部分，最大沉降可达3cm。同时，计算得到的路面表面沉降与路堤表面竖向位移曲线几乎一致，表明路面结构压缩变形量较小，主要是随路堤同步沉降。

表3列出了不同加宽宽度下路堤表面的竖向位移情况。

 由表3可见，随着道路加宽宽度的增加，路堤表面最大沉降量迅速增加，路堤中心线处位移和形成坡度也随之增大，这表明道路加宽宽度越大，对路堤的影响越不利。

2.2应力计算结果

图5为不同加宽宽度时路面横断面中剪应力分布图。

 由图5可见，最大剪应力均出现在新旧路堤拼缝旧路侧1 m左右，出现的位置与加宽宽度相关性较小。随着加宽宽度的增加，最大剪应力的数值随之增长，但增加的趋势趋缓。从图中可以看出，加宽12 m和加宽8m2种条件下路面剪应力大小较为相似。对于3种道路加宽宽度，路面剪应力均较小，表明剪切破坏并非拼接部路面的主要破坏形式。

图6为不同加宽宽度时路面横断面中的横向拉应力变化。

 由图6可见，最大拉应力均出现在路堤中线位置，最大压应力出现在加宽路面边缘的位置。最大拉应力的数值并非随加宽宽度的增加而单调减少，当加宽宽度从4m增加到8m，最大拉应力从0.19 MPa减少到0.07 MPa；而当加宽宽度从8m增大到12 m时，最大拉应力又增加到0.15 MPa。因此，道路加宽8m时路面横向拉应力最小。

 通过应力计算结果，可以看到，面层以及基层的拼缝处均受到剪应力和拉应力的共同作用，虽然剪应力和拉应力均不足以造成路面结构的破坏，但本文的有限元分析中没有考虑拼缝的影响以及由于拼缝而引起的应力集中，所以对于拼缝附近应力较大的部位，尤其新旧路堤拼缝旧路侧1m左右的位置需予以重视。此外，由图5和图6可看出，剪应力随路基拼宽影响较小，而拉应力受加宽宽度的影响较大，因此应加强拼缝处的抗拉性能，施工时采用具有较好粘附性的改性乳化沥青粘层油并加强拼缝处的碾压，提高拼缝处沥青混凝土的密实度，必要时可铺设土工合成材料。

3结论

 (1)新路堤施工后，从路堤中心线向外，地基的沉降值不断增大，在旧路堤边坡坡角附近产生最大沉降，最大沉降值约7 cm，再向外侧时沉降又开始减小。

 (2)由于新路堤的影响，路堤中心线处地基向上略有拱起，但位移较小。最大沉降的位置随加宽宽度的增加而向外移动，最大沉降值也随加宽宽度的增加而增加，加宽宽度为12 m时，最大沉降可达9.8 cm。

 (3)道路加宽后路面最大剪应力出现在新旧路堤拼缝旧路侧1 m左右的位置，最大横向拉应力出现在路堤中线位置。剪应力相对拉应力较小，应加强拼缝处的抗拉性能。

 (4)道路加宽宽度越大，对地基和路堤的沉降影响越不利。道路扩建加宽工程须重视拼接部位地基和路堤不均匀沉降及其引发的病害，并采取适当的措施予以解决。