加宽改造道路路基不均匀沉降指标研究

摘要：路基拓宽后的不均匀沉降是产生结合部处纵向裂缝的主要原因，本文从公路路面结构性指标出发，应用有限元方法计算了由于新旧路基不均匀沉降引起的路面结构内应力，阐述了旧路拓宽改造后控制结合部处产生纵向裂缝的容许不均匀沉降指标。

关键词：结构性；有限元；旧路拓宽；不均匀沉降

中图分类号：U213文献标识码： A

无论对于新建公路，还是老路加宽改造，都存在路基沉降问题，新筑路基的沉降将引起两方面的影响：一是对路面功能性的影响，即可能影响路面纵坡、横坡、以及平整度。二是对路面结构性的影响，地基不均匀沉降将引起路面结构内部产生附加应力，一旦这种应力与车轮荷载产生的应力之和大于结构层材料的强度，路面的结构将会破坏，这正是本文的研究所在。因此，要求在公路使用年限内最大的不均匀沉降值不超过容许工后沉降标准。

旧路拓宽改造后，新路基沉降量较大，而老路基已经完成大部分工后沉降。所以路基表面沉降曲线在结合部位置可能产生突变，从而引起该部位路面各结构层中产生应力集中，当应力超出路面材料的抗拉强度时，路面就会产生开裂，这也是老路拓宽改造后在结合部位置容易产生纵缝的原因。因此本章将重点计算新旧路结合部处的路面结构层应力，以确定工后容许沉降标准。

1.旧路拓宽后路基沉降曲线模型

由于路堤表面的不均匀下沉会使路面底基层与路堤脱空，路面结构在自重和行车荷载作用下要随路堤向下发生跟随位移和挠曲，而正是挠曲使路面板体内产生应力。因此，要准确计算不均匀沉降在路面结构层产生的应力，就必须首先拟合好路基表面的差异沉降曲线。

对于新建公路，人们通常用抛物线来拟合:

(1)

式中：——曲线中任意点与路面边缘的不均匀沉降差；

——路面宽度；

——路基中部和边缘的最大不均匀沉降差。

这种曲线类型能相对较好地拟合路基表面的不均匀沉降情况，具有一定的适用性。

由于模拟新建公路的抛物线类型比较接近实际，因此本文对其进行处理，用来近似模拟旧路拓宽后的沉降曲线。具体思路如下：

图1拓宽路基沉降变形模拟图

①将旧路拓宽后的整个路基当作是新修公路，那么其顶面沉降曲线S总可以用抛物线y1=f1(x1)来进行拟合；

②原有老路基的沉降曲线S旧，仍可用抛物线y2=f2(x2)进行拟合；

③对于新拓宽段引起的沉降变形S新，即为两条抛物线相减的差值y3=y1-y2，如下图所示：

2.有限元力学模型的建立

由于路堤的不均匀沉降会使路面基层板体与路堤脱空，各层结构在自重的作用下要随路堤向下发生跟随位移和挠曲，如图2所示，从而在路面各结构层不同位置产生拉应力或压应力。

图2路面结构对路基的跟随变形图

在进行有限元分析时，作如下假定：

（1）假定底基层与路堤接触边界是光滑的，无摩擦力；

（2）路面在自重及外荷作用下的跟随位移量为路堤表面沉降量，即路基和路面不产生脱空；

（3）各层材料为均质、连续、各向同性；层间接触连续，完全粘合；

（4）采用平面应变有限元模型，面层、基层、底基层都采用平面单元。

在有限元计算时路面结构取三层：面层、基层、底基层，路面有限元计算网格划分和路面结构见图3、图4。其中BC为路面顶面，AB、CD为自由边，AD为路面与土基接触边界，且AD发生已知节点位移。划分单元网格精度为0.25m。

图3路面结构有限元计算图

图4路面结构极其参数

3.应力及路堤容许不均匀沉降指标分析

通过有限元法对不均匀沉降引起的附加应力进行分析，可以确定容许工后不均匀沉降指标，从而对工后不均匀沉降量加以控制和采取处理措施。

目前我国公路与城市道路建设中普遍采用水泥或二灰稳定类作基层和底基层，本文对常用的路面典型结构进行有限元分析，得出在旧路沉降坡度和新路沉降坡度两者差值变化时的路面结构应力。在有限元计算过程中发现，实际最大应力位置并不一定恰好处于新老路基顶部接茬处，而是在其偏向新拓宽路段约1米的区域内。这说明引起接合部位置应力突变的所谓突变点实际上是一个小的区域，在这个区域范围内可能出现相对应力集中的现象。有限元计算结果见表1：

表1沥青路面应力计算结果

计算结果表明：由于路堤不均匀沉降产生的附加应力在沥青面层以及基层顶部均为拉应力，而在基层底部和底基层均为压应力；而利用弹性层状体系理论计算车轮荷载作用下面层、基层及底基层底面的应力分别为-0.13、0.08、0.11MPa。因此，由不均匀沉降产生的附加应力和由车辆荷载作用产生的应力刚好相反，即：一方为拉应力，则另一方为压应力，这也是与新建道路不同的地方。如进行两种应力状态的叠加，则由车辆荷载引起的引力将部分抵消由不均匀沉降产生的应力。

为保守期间，本文不计车辆荷载作用下的应力，只计路堤不均匀沉降引起的应力；同时，路面各结构层材料的容许拉应力都取规范中的低值。

根据现行沥青路面设计规范[6]，取沥青面层的容许拉应力为0.8Mpa,基层的容许拉应力取0.35Mpa，则根据上表3.1计算结果，当不均匀沉降坡差超过0.4%时，基层顶部（拉应力为0.3374MPa）将首先进入破坏状态。

由于目前我国公路与城市道路建设中普遍采用水泥稳定类或二灰稳定类材料作路面结构的基层和底基层，因此上述针对此类材料的计算结果具有较广的适用性。可以认为，对于基层是半刚性材料的沥青混凝土路面，采用不均匀沉降坡差0.4%来指导道路拓宽改建工程和进行地基及老路基处治是适合的。

4.结语

本文通过对公路与城市道路路面的结构性要求分析，得出了旧路拓宽改造的不均匀沉降指标。也即，当不均匀沉降坡差控制在0.4%以内时，就不会影响路面的结构性要求，也不易在新老路基结合部位置产生纵向裂缝，因此可以认为把0.4%的沉降坡度差作为半刚性路面的不均匀沉降控制指标是合理的。