【文章內(nèi)容簡介】 調(diào)變形 ? 很多分析將新路基荷載作用下的變形直接作為不協(xié)調(diào)變形，并以此不協(xié)調(diào)變形作為最終的控制指標。但是在施工過程中，新路堤的瞬時壓縮變形和部分固結(jié)變形已經(jīng)完成，而這一部分變形造成的沉降可以通過施工補填來恢復(fù)，只有施工結(jié)束后的變形才最終形成了對路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的不協(xié)調(diào)變形。 ? 對于老路堤，如果在原有路面結(jié)構(gòu)上加鋪新的路面結(jié)構(gòu)，可以通過底基層或墊層找平來彌補施工期間的沉降； ? 如果繼續(xù)利用原有路面結(jié)構(gòu)，則不能通過回填來減小施工期間發(fā)生的沉降，最終反映到路面結(jié)構(gòu)部分的不協(xié)調(diào)變形是老路堤在施工期間和施工結(jié)束后發(fā)生的總沉降。實際拓寬工程中，為發(fā)揮原有路面的使用壽命、節(jié)約工程投資，常采用利用原路面結(jié)構(gòu)的方案；若原路面結(jié)構(gòu)損壞嚴重或路面等級較低，則需要在原路面結(jié)構(gòu)上加鋪新的路面結(jié)構(gòu)。所以，老路基頂面的不協(xié)調(diào)變形計算需要在分析中按照原有路面的利用情況區(qū)別對待。 ? 關(guān)于計算模型的基本考慮 ? 由不協(xié)調(diào)變形的組成和機理分析可知，不協(xié)調(diào)變形在不同拓寬條件下有不同特點，且構(gòu)成不協(xié)調(diào)變形的各組成部分計算相當復(fù)雜，涉及到新老路基的共同作用（新路基通過上覆壓力和負摩阻力協(xié)同老路基共同工作）、路基及地基的固結(jié)沉降和工后變形、不同土質(zhì)條件等。這些因素很難通過純理論解來考慮，而有限元法可以考慮復(fù)雜的邊界條件和模擬材料的非線性以及狀態(tài)的非線性，故可以在新老路基不協(xié)調(diào)變形的分析中采用有限元法。 ? 道路為條帶形結(jié)構(gòu)物，其受力狀態(tài)為典型的平面應(yīng)變問題，故采用二維有限元模型，按照平面應(yīng)變問題處理。另外，采用二維有限元模型與三維有限元模型相比，在能夠保證足夠精度的前提下，節(jié)省大量的計算時間和內(nèi)存。 ? 并且，對路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響的不是沉降總量，而是工后不協(xié)調(diào)變形，故在沉降計算中要考慮到沉降隨時間變化的問題，從而需要在有限元分析中考慮土體的固結(jié)理論。通過研究沉降隨時間的變化，可以為合理預(yù)留施工超高和最終確定形成的不協(xié)調(diào)變形提供合理的依據(jù)。 ? 路堤的穩(wěn)定性是所有路堤設(shè)計都必須考慮的問題，新老路基結(jié)合部設(shè)計也不例外，設(shè)計的最基本要求就是要保證拓寬路堤的穩(wěn)定，所以新老路基接合部不協(xié)調(diào)變形分析的基本假定就是拓寬路基無穩(wěn)定性問題，即新老路基結(jié)合面不會出現(xiàn)因穩(wěn)定性問題而出現(xiàn)的滑移和錯臺。 土體的初始應(yīng)力狀態(tài)是指在初始固結(jié)狀態(tài)時地基內(nèi)部任意一點的豎向有效應(yīng)力和水平向有效應(yīng)力的大小及其關(guān)系。土體的變形和強度特性與初始應(yīng)力狀態(tài)密切相關(guān)，對地基中土體的初始應(yīng)力狀態(tài)不清楚，就無法正確了解其變形和強度特性。路基拓寬工程中，由于地基和老路基在老路基自重荷載作用下已發(fā)生固結(jié)變形，其初始應(yīng)力分布狀態(tài)不同于地基表面水平情況下的線性分布，所以，準確獲取老路基作用下地基和老路堤的初始應(yīng)力分布狀態(tài)是求解不協(xié)調(diào)變形的關(guān)鍵。 1 關(guān)于計算模型的基本考慮 道路為條帶形結(jié)構(gòu)物，其受力狀態(tài)為典型的平面應(yīng)變問題，故采用二維有限元模型，按照平面應(yīng)變問題處理。 新老路基接合部不協(xié)調(diào)變形分析的基本假定就是拓寬路基無穩(wěn)定性問題，即新老路基結(jié)合面不會出現(xiàn)因穩(wěn)定性問題而出現(xiàn)的滑移和錯臺。 路基拓寬工程中，由于地基和老路基在老路基自重荷載作用下已發(fā)生固結(jié)變形，其初始應(yīng)力分布狀態(tài)不同于地基表面水平情況下的線性分布，所以，準確獲取老路基作用下地基和老路堤的初始應(yīng)力分布狀態(tài)是求解不協(xié)調(diào)變形的關(guān)鍵。 2 有限單元法模型 由于道路為條形結(jié)構(gòu)物，其空間應(yīng)力分析可簡化為平面應(yīng)變問題，故分析中采用 ABAQUS單元庫中的平面應(yīng)變孔隙水壓力單元 4PE4P。 3 地基固結(jié)理論及巖土本構(gòu)關(guān)系 1)地基固結(jié)理論 土的固結(jié)包含了水的滲流和土的變形兩方面，是兩者的耦合問題。 Biot固結(jié)理論較全面地考慮了兩者的結(jié)合，是比較完善的多維固結(jié)理論。 2)巖土本構(gòu)關(guān)系 考慮到巖石、土體等材料屬于顆粒狀材料，此類材料受壓屈服強度遠大于受拉屈服強度，不僅靜水壓力可以引起巖土塑性體積變化，而且偏應(yīng)力也可能引起塑性體積變化（剪脹），故采用能準確描述這類材料的 DruckerPrager模型，其屈服條件為廣義 von Mises屈服條件。 4 模型基本假設(shè)、網(wǎng)格劃分和計算流程 考慮到道路拓寬問題的影響因素比較復(fù)雜，為計算簡化，特作如下假定： 按照平面應(yīng)變問題進行考慮，進行二維有限元分析； 土體為彈塑性材料，采用修正的 DP模型進行模擬。 新老路基結(jié)合部處治較好，不會因為穩(wěn)定性不足而出現(xiàn)滑移，接觸條件為完全連續(xù)。 老路基和地基的初始應(yīng)力場由老路基和地基的自重荷載產(chǎn)生。 邊界條件：地基底面兩個方向均為約束，地基寬度外側(cè)水平向約束，如雙側(cè)拓寬則進行對稱性分析（路堤中心線處加對稱約束）；地基寬度外側(cè)及地表為透水邊界，地基底面為不透水邊界。網(wǎng)格劃分如圖 37所示。 圖 37 網(wǎng)格劃分示意圖 模型的計算流程如下： 將新老路基單元均殺死（ kill、 remove）為空單元，對地基部分施加重力，實現(xiàn)地基在自身重力作用下的地壓平衡； 將老路堤轉(zhuǎn)化為實體單元，施加重力，得到在老路基自重荷載作用下的應(yīng)力場； 保持原模型和網(wǎng)格劃分不變，重新進行計算。將上步獲得的應(yīng)力場作為初始條件施加到模型中，將新路基單元殺死為空單元，對老路基和地基施加重力，實現(xiàn)在老路基和地基重力作用下的地壓平衡； 模擬施工工程，當拓寬到某一層時再將該單元轉(zhuǎn)化為實單元，并施加重力，每步按照增量迭代法計算；得到施工結(jié)束后路堤頂面的沉降； 計算施工完成后路堤頂面的沉降； 整理沉降數(shù)據(jù)。新路基部分的不協(xié)調(diào)變形為新路堤荷載作用下的路堤頂面工后沉降，老路基部分的不協(xié)調(diào)變形則按照老路路面的利用原則分別進行整理。 不同工程條件下新老路基不協(xié)調(diào)變形的特征 1 拓寬方式和拓寬寬度對不協(xié)調(diào)變形的影響 1)單側(cè)加寬 單側(cè)拓寬隨著拓寬寬度的增加，不協(xié)調(diào)變形逐漸增大。隨著拓寬寬度的增加，拓寬路基對老路基產(chǎn)生的附加應(yīng)力逐漸增大，導致老路基產(chǎn)生的沉降逐漸增加；但拓寬寬度超過一定范圍后，增加的寬度對老路基產(chǎn)生的附加應(yīng)力較小，故此時增加拓寬寬度引起的老路基沉降增加不明顯，且拓寬路基表現(xiàn)出一定的新建路基的性質(zhì)，即工后不協(xié)調(diào)變形發(fā)生在路基中間部位。 從控制不協(xié)調(diào)變形的角度出發(fā)，需要控制拓寬的新路堤寬度。 通過建立的有限元模型進行拓寬不協(xié)調(diào)變形的分析，老路堤寬度為 10m，需拓寬路堤寬度分別為 4m、 10m、15m，路堤高度為 4m，邊坡 1： 。 路堤填土及地基土質(zhì)材料參數(shù)見表 21。計算得到拓寬寬度對不協(xié)調(diào)變形的影響如圖 2 25所示。 表 21 路堤填土及地基土計算參數(shù) 土層 厚度 （ m） 重度 （ kNm3） 變形模量 （ MPa） 泊松比 181。 摩阻角 （ 0） 滲透系數(shù) （ ms1） 老路堤 4 20 45 5 10－ 8 拓寬路堤 4 15 45 5 10－ 8 路基土 1 1 42 2 10－ 10 2 10 40 1 10－ 10 3 9 42 2 10－ 10 圖 24 拓寬寬度對老路頂面不協(xié)調(diào)變形的影響 圖 25 拓寬寬度對新路頂面不協(xié)調(diào)變形的影響 05101520250 2 4 6 8 10計算點距路堤頂面左側(cè)邊緣距離（m ）老路頂面不協(xié)調(diào)變形（cm）拓寬4 m拓寬1 0 m拓寬1 5 m0 5 10 15計算點距結(jié)合面距離（m ）新路堤頂面不協(xié)調(diào)變形（cm）拓寬4 m拓寬1 0 m拓寬1 5 m? 可見，隨著拓寬寬度的增加，不協(xié)調(diào)變形逐漸增大，當拓寬寬度為 4m時，老路堤頂面不協(xié)調(diào)變形的最大值為，新路堤不協(xié)調(diào)變形的最大值為 ，而當拓寬寬度增加到 15m時，老路堤頂面不協(xié)調(diào)變形的最大值增加為 ，新路堤頂面不協(xié)調(diào)變形的最大值也增加為。當拓寬寬度由 4m增加到 10m時，老路基頂面的不協(xié)調(diào)變形增加了 ，而由 10m增加到 15m時，老路頂面的不協(xié)調(diào)變形只增加了 ；并且，當拓寬寬度較小時，新路基頂面不協(xié)調(diào)變形的最大值發(fā)生在新路堤的邊緣，當拓寬寬度達到 15m后，不協(xié)調(diào)變形的最大值出現(xiàn)在新路基邊緣內(nèi)側(cè)，即在拓寬路面上出現(xiàn)反坡，雨水季節(jié)新路面上容易出現(xiàn)雨水聚集，路面使用功能下降并且造成路面結(jié)構(gòu)的水損害。 ? 說明隨著拓寬寬度的增加，拓寬路基對老路基產(chǎn)生的附加應(yīng)力逐漸增大，導致老路基產(chǎn)生的沉降逐漸增加；但拓寬寬度超過一定范圍后，增加的寬度對老路基產(chǎn)生的附加應(yīng)力較小，故此時增加拓寬寬度引起的老路基沉降增加不明顯，且拓寬路基表現(xiàn)出一定的新建路基的性質(zhì)，即工后不協(xié)調(diào)變形發(fā)生在路基中間部位。 ? 從上面的分析可以看出，拓寬寬度的增加導致了不協(xié)調(diào)變形的增加，所以從控制不協(xié)調(diào)變形的角度出發(fā)，需要控制拓寬的新路堤寬度。但是實際拓寬工程需要拓寬的寬度由交通預(yù)測和規(guī)劃確定，當需要的拓寬寬度較寬時，可以從改變拓寬方式的角度來解決問題，即將需要拓寬的寬度分配到老路兩側(cè)，降低每側(cè)的拓寬寬度，構(gòu)成雙側(cè)拓寬。 2)雙側(cè)加寬 采取雙側(cè)拓寬與單側(cè)拓寬相比較，老路部分的不協(xié)調(diào)變形明顯改善。其原因在于雙側(cè)拓寬后，拓寬路堤自重荷載對老路中部的附加應(yīng)力得到增加，從而使老路中部也發(fā)生較大的沉降，相應(yīng)減小了整個老路部分的不協(xié)調(diào)變形。 采用雙側(cè)拓寬方式的拓寬工程在路基頂面產(chǎn)生的不協(xié)調(diào)變形：老路寬度 10m，拓寬寬度為 15m，兩側(cè)均拓寬，其他計算參數(shù)同上，按照對稱性取半截面進行分析，得到圖 26至圖 29。 圖 26路基竣工時頂面沉降曲線圖 圖 27路基頂面總沉降曲線圖 202468100 5 10 15計算點距老路中心距離（m ）路基竣工時路基頂面沉降（cm）1012141618200 5 10 15計算點距老路中心距離（m ）總沉降（cm） 圖 28 路基頂面工后沉降曲線圖 圖 29新、老路基頂面不協(xié)調(diào)變形 0 2 4 6 8 10 12 14計算點距老路中心距離（m ）工后沉降（cm）012340 1 2 3 4 5計算點距老路中心距離（m ）老路基頂面不協(xié)調(diào)變形（cm）05 7 9 11 13計算點距老路中心距離（m ）新路基頂面不協(xié)調(diào)變形（cm）? 由圖 325可以看出，采用雙側(cè)拓寬的方式，將15m的寬度分配到道路兩側(cè)以后，老路部分 5m的范圍內(nèi)出現(xiàn)了 ，平均變坡率為 %；由圖 321可見，當采用單側(cè)拓寬時，拓寬 15m在 10m寬的老路部分產(chǎn)生的不協(xié)調(diào)變形為 ，平均變坡率為 %。 ? 可見，采取雙側(cè)拓寬后，老路部分的不協(xié)調(diào)變形明顯改善。其原因在于雙側(cè)拓寬后，拓寬路堤自重荷載對老路中部的附加應(yīng)力得到增加，從而使老路中部也發(fā)生較大的沉降，相應(yīng)減小了整個老路部分的不協(xié)調(diào)變形。 ? 由單、雙側(cè)拓寬方式產(chǎn)生的不協(xié)調(diào)變形可以看出，采用雙側(cè)拓寬能夠?qū)⑼貙捖返痰淖灾睾奢d分配到老路堤兩側(cè)，極大地減小了不協(xié)調(diào)變形量并改善了不協(xié)調(diào)變形的曲線形態(tài)，對路面結(jié)構(gòu)的受力狀況較為有利；另外，采用雙側(cè)拓寬可以減小拓寬所需的土石方量。但是，雙側(cè)拓寬同時也增加了施工難度和費用，并給施工期間開放交通的控制帶來困難。所以，對拓寬方式需針對實際的拓寬工程，在道路選線時綜合考慮。 2 不同地質(zhì)條件的路堤拓寬 平原軟土地區(qū)的路堤拓寬 ? 平原軟土地區(qū)，由于地基下臥層土質(zhì)條件較差，壓縮性大、固結(jié)時間長，故地基的工后壓縮變形對不協(xié)調(diào)變形的貢獻非常大。地質(zhì)勘測時獲取準確的地質(zhì)資料對拓寬設(shè)計具有決定性的意義 。 ? 仍以老路堤寬 10m，單側(cè)拓寬 15m為例，擬三種軟弱土材料，變形模量分別為、 2MPa、 ，得到新、老路基頂面的不協(xié)調(diào)變形的曲線分別如圖 32 327所示。 05101520250 2 4 6 8 10距離路基頂面左邊緣距離（m ）老路頂面不協(xié)調(diào)變形E ＝1 . 2 5 M P aE ＝2 M P aE ＝3 . 5 M P a圖 326 土質(zhì)條件對老路基頂面不協(xié)調(diào)變形的影響 0120 3 6 9 12 15計算點距結(jié)合部距離（m ）新路基頂面不協(xié)調(diào)變形（cm）E ＝1 . 2 5 M P aE ＝2 M P aE ＝3 . 5 M P a圖 327 土質(zhì)條件對新路基頂面