拓宽路基变形数值分析

第三章高速公路拓宽工程有限元分析
图３．２算例有限元网格
３．２采用排水固结法处理的路堤变形性状分析
本节研究原有路堤下的地基采用排水固结法处理，并且在原有路堤荷载之下地基固结已经基本完成，而拓宽路堤下的地基也采用排水固结法处理的情况。

高速公路是绵延很长的线形建筑物，沿途经过的地区会有不同的地质情况，因此在不同地区天然地基的力学参数会有所不同；沿途地面起伏不平存在不同的海拔高度，因此路堤的高度也会有所不同。

在路堤施工的过程中，由于采用的土体性质、含水量、压实功等指标的差异，路堤完工后路堤土体的的力学参数也会有所差异。

根据路堤下的地基力学性质的差异，以及上部荷载情况的不同，进行地基处理设计时也应该采用不同的设计参数。

本节首先选取一组地基参数作为参考算例，研究在这个标准情况下路堤和地基的变形性状；然后通过对地基参数在…个允许的范围内变动，研究每一个地基参数的变化对路堤沉降的影响。

由于原有高速公路路堤在建造和投入使用的过程中，路堤和地基会发生一定。

高速公路拓宽工程复合地基处理效果的数值分析李勇泉河海大学岩土工程研究所，南京 (210098)E-mail：tmlyq@摘要：以在建高速公路地质资料为背景，通过通用的有限元程序，对高速公路拓宽工程中新路基采用复合地基处理方法的效果进行了数值模拟。

结果表明：隔离墙能有效地减小路基的水平位移，新路基采用复合地基法处理能较好地解决不均匀沉降问题。

关键词：高速公路；拓宽；数值分析；软土地基；沉降变形；复合地基中图分类号：TU113.6+651．引言受到建设时社会经济水平、技术水平和建设思想的制约,在中国已经建成使用的高速公路中,绝大多数是双向四车道高速公路,六车道和八车道高速公路所占比例较低。

随着我国国民经济的快速发展，交通运输量迅速增长，部分建成通车的高速公路的通行能力已经难以满足运营要求，扩建改造势在必行。

自1997年8月中国首条高速公路扩建工程——广佛高速公路加宽工程动工以来,先后有海南环岛东线、沪杭甬、沈大、南京绕城、沪宁等高等级公路相继局部或全线扩建加宽[1]。

改扩建的高速公路绝大部分都位于中国沿海经济发达地区,这些地区广泛分布着海相、泻湖相和河漫滩软土, 而软土地基又具有含水率高、孔隙比大、渗透性小、压缩性高和抗剪强度低等不良工程特性，使得高速公路的软基处理成为重点和难点，如何控制新老路基的差异沉降更是软基处理中的关键。

本文采用弹塑性有限元方法对高速公路拓宽进行了数值模拟计算，分析了复合地基方法处理新路基的效果以及影响因素。

2．计算方法本文运用了有限元软件Plaxis程序，该程序应用能力强，能够模拟复杂的工程地质条件，尤其适合于变形和稳定分析。

该程序能够计算二类工程问题：平面应变问题和轴对称问题。

Plaxis程序在进行网格划分时，采用6节点三角形单元或15节点三角形单元。

为获得较高的计算精度，本文采用15节点三角形单元。

模拟计算中对桩体采用线弹性模型，对软土等采用修正剑桥模型。

3．计算内容3.1工程概况本文以在建的佛开高速公路拓宽工程为背景，该高速公路原为双向4车道，路面宽26m, 现在老路堤两侧依坡拓宽为双向8车道，路面宽42 m。

山区拓宽公路路基挡土墙的受力变形特征分析摘要：信息和经济的飞速发展让我国各个地区越来越成为了一个有机的整体，这就更加要求着交通的便利和发达。

尤其是山区公路的维护和扩建更是重中之重。

山区路段的公路建设有着自己的特征和应注意的问题，同时由于严峻的自然环境使山区路面更加容易受到影响和破坏。

本文针对山区扩宽公路挡土墙路基的手力和变形进行了系统的分析和研究，在充分调研的基础上提出了在山区公路扩宽时有效保护老路基，使挡墙不至变形的方法和规律。

关键词：山区公路路基挡土墙变形特征分析前言：山区路段的研究和治理是一个新的课题，在九十年代初期我国对于公路的问题还始终偏向于建设方面，而还没有提出系统的公路改造和治理计划。

在近年才提出了对于旧公路进行维护方案。

在课题的研究过程当中我们要看到，城市的道路与山区道路的改造和扩宽所面对的难点和情况是不一样的，山区公路在扩宽时受到的阻力要更加的巨大。

1.对山区拓宽公路挡土墙路基受力变形的简单分析1.1挡土墙受力变形的基本特征我们在以往的案例当中可以了解到，公路在施工结束之后比较容易沉降的部位大多发生在两个地方：新老路基的结合处与挡墙和路基的结合处。

这和山区公路的自然环境是分不开的，由于山区自然环境当中土质相对松软，在过往汽车运输当中的碾压和施压作用下挡墙十分容易发生下沉和变形。

而在挡墙变形的现象发生当中，新建成的公路和改造的公路之间又有着很大的不同。

新建的公路最大的沉降点集中在公路地基的中部，而拓宽改建的公路下沉则显示出明显的‘勺子形态’（如图-1），会根据山体的原有走势发生变化。

也就是在以上所述的新老路基结合处和挡墙路基的结合处，所以在治理当中这两个部位成了重中之重。

图-11.2在公路改造过程当中老路基所造成的影响在山区公路的改造过程当中老路基对于工程的影响是不可忽视的。

旧公路的路堤坡度一般都是随着地形而发生变化，这就要求在拓宽公路的施工当中注意分析各个路段挡墙在不同坡度中所受的压力，计算其变形的程度。

拼宽路堤沉降变形现场测试与分析一、概述随着经济的高速发展，原有的高速公路设计通行能力已经逐渐不能满足车流量发展的需要，道路改扩建是提升道路等级或提高通行能力的常用方法，而路基拼宽是改扩建的重要环节。

旧路改扩建后，由于旧路路基已经沉降多年，处于基本稳定的状态。

而新建路基沉降时间短，新旧路基衔接处必将产生不均匀沉降的现象，如果这种不均匀沉降引起的路面结构层内附加应力超过了材料的抗拉强度或界面强度，则容易在新旧路基衔接位置产生纵向裂缝，导致路面病害。

因此，进行高速公路改扩建时，有必要对路面采取相应的监控措施并对其进行分析。

在山西省第一条改扩建高速公路——长邯高速公路改扩建中，对K741+500断面进行了长期的沉降监测和地基水平位移监测，根据监测结果分析了拼宽段不同填筑高度时地基的变形规律，并得出填筑完成后地基变形随时间变化的规律，为准确把握路面施工的时机提供了依据，并据此对路基拼接质量做出评估。

二、拼宽路堤变形现场测试方案（一）地基沉降监测1、地基沉降监测方法这里的每一道菜，都是美食与京城文化的结合，从各路民间小吃到宫廷小吃；从传统小吃到京派改良的各式家常特色，应有尽有。

除了吃进嘴里的美味，还有吃进脑海的饮食文化，从京八件、京城四大抓，到京味儿压桌四凉菜，真是一边饱胃口一边涨知识呀！地基沉降的监控采用横剖管—综合测试仪进行。

具体做法是将横剖管埋设在新填路堤的底部，用综合测试仪进行检测，将两次检测得出的数据进行比较，求得沉降差。

该方法具有不受地面施工影响、可连续多点观测、精度可达0.5mm等优点。

这种通过努力工作寻求宗教救赎的新教世俗化转向，不仅构成了西方资本主义的思想基础，使资本主义成为可能，它也是世俗慈善事业脱离宗教慈善事业的思想基础，从而为科学的慈善，为社会工作的产生和发展提供了可能性。

因而它自然也是增能取向的社会工作或社会工作的增能理论的重要思想基础之一。

1.2.2 子粒产量调查取样选取北部的古驿镇、东部的程河镇、西部的龙王镇和夹河套的张家集镇4个镇进行取样，于同一小麦品种、同一田块内，选有代表性的倒伏和未倒伏小麦各20 m2，从茎基部割取，脱粒后晒干称重，最后折算单位面积产量，分析倒伏对小麦产量影响。

拓宽路堤变形性状的非线性有限元分析【摘要】:公路拓宽会引起老路路堤的不均匀沉降、路面裂缝等病害。

采用PLAXIS有限元软件对不同的新老路堤进行分析，结果表明：拓宽路堤的自重荷载会使老路堤产生较大的竖向位移和水平位移。

老路路堤顶面的沉降随着距拓宽部分的水平距离增大而减小，新老路堤顶面的最大水平位移发生在新老路堤的结合处；竖向位移、水平位移和差异沉降都随着路基土的模量增大而较小，但是随着路基土模量的增大，路基土模量的拓宽路堤的变形影响逐渐减小。

上硬下软的土体分层情况能够有效的减小差异沉降。

【关键词】：拓宽路堤；非线性有限元分析；变形；附加沉降；水平位移1. 引言目前使用的高速公路中以双向四车道为主，约占高速公路总里程的百分之八十八左右[1]，但仍无法满足现有的公路运输要求，对现有公路拓宽是较公路新建经济、高效的途径，但拓宽公路的强度、沉降等问题亟待解决。

目前对拓宽路堤变形性状的研究开展的还不够，还没有较系统的研究成果。

采用有限元数值模拟对拓宽进行分析研究，是探讨拓宽路堤变形性状的一种有效途径。

2. 模型的建立2.1 几何模型原有双向四车道公路路堤顶面宽度为26m，路堤高度h为4m，老路路堤及拓宽路堤的边坡坡度为1：1，在原有公路的右侧进行拓宽，拓宽宽度d为4m。

地基计算域深度d取60m，地基的计算宽度取120m。

计算几何模型如图1。

2.2 网格划分对算例的计算几何模型进行有限元网格划分，采用十五结点的三角形单元。

为了重点研究路堤顶面的变形性状，以及拓宽路堤荷载对原有路堤的影响，对路堤部分以及路基下面的天然地基区域，采用了比较密集的网格。

一共划分的单元数为1131个，节点数为9219个。

有限元网格划分如图2。

2.3 边界条件计算模型的位移边界条件为：左、右竖直边界的水平方向位移被约束，底部边界的水平和竖向位移均被约束；孔隙压力边界条件为：天然地基的上边界为透水边界，上边界的孔隙压力为零，左、右竖直侧边界的孔压为不透水边界，底部边界为不透水边界。

道路拓宽改造路基路面设计分析摘要：随着我国城市化进程的逐渐加快，城市交通量不断增加，使得早期的城市规划和道路规模无法满足不断发展的交通需求，对于道路进行拓宽改造已经成为了城市建设中的重要组成部分。

在城市道路拓宽改造过程中，最为重要的内容之一就是路基路面的设计问题，在很大程度上影响着改造后道路的使用情况，所以本文主要对道路拓宽改造路基路面设计方面进行分析，希望能够对道路改造提供一定参考。

关键词：：道路；拓宽改造；路基路面设计引言一般情况下对现有道路进行拓宽改造时，都是在保证现有道路情况稳定的基础上进行两侧的拓宽。

但是由于现有道路周围地块使用情况复杂就决定了新拓宽改造的路段情况会非常复杂，例如因为土地利用的不同（可能是农田、水塘或者建筑物等）所造成的地质条件差异；由于周围建筑使用情况或者红线规划所造成的拓宽改造道路和周围建筑之间的衔接问题等等。

这些问题都会影响到新改造路基路面的设计情况，需要对其进行充分分析研究，确保新改造道路的顺利进行。

1 道路拓宽改造分析（1）拓宽改造路基的稳定性分析路基是道路建设中最为重要的部分，其稳定性直接决定着道路是否可以持久经受到车辆载荷的作用，所以在具体设计过程中一定要对路基稳定性实施分析。

路基稳定性会受到很多因素的影响，例如周边土体结构性质、边坡坡度和高度、工程质量等。

在设计之前一定要充分考虑到新建道路的具体交通量情况，明确拓宽道路的地质分布以及路基承载力等等。

（2）拓宽改造路基土压缩变形分析对于路基土来说，其受到自重以及路面结构等作用会发生土体的压缩变形，可以利用室内试验来对土变形指标进行测定。

选择合适的力学模型对路基土的应力情况进行分析，从而得到相应控制指标，包括路基和地基总变形量、不均匀变形范围以及变形和时间的变化关系等。

（3）新旧道路常见病害情况从相应参考文献：以及以往工程实践中可知，新旧道路拓宽工程的主要病害就是路基路面的损害和路面整体性能的下降，表现为新旧路基结合位置会出现纵向裂缝。

软土地基上旧路拓宽工程的数值分析提要：采用有限元软件PLAXIS分析了旧路拓宽工程中新路堤对原有路堤和地基的影响，以及新老路堤的差异沉降问题。

分析结果表明：在拓宽路堤荷载作用下，旧有道路产生附加沉降，新老路堤差异沉降较大；道路拓宽宽度越大，除道路中心位置外，其他位置沉降都有所增大，堤顶水平位移也越大。

此外，在新建路堤底部设置土工格栅，或在地基中设置砂井，均能有效的减小新老路堤的差异沉降和地基表面沉降，以及新填路堤顶部的水平位移。

关键词：软土地基；道路拓宽；差异沉降；水平位移1、引言随着我国经济的迅猛发展，对交通的需求量越来越大，特别是经济较为发达地区，现有道路已不能满足交通量的要求。

从节约土地、降低工程造价等方面考虑，对旧有道路进行拓宽是最为可行的方案之一。

然而，道路拓宽部分路堤荷载不仅使拓宽路堤下地基产生沉降，而且将会引起原有路基下的地基产生沉降。

当新老路堤的差异沉降较大时，往往会使原有路堤产生纵向裂缝等问题，影响到行车速度，甚至会危及行车安全。

因此，在道路拓宽工程中，新老路堤的差异沉降问题是我国道路建设亟待解决的关键问题之一。

本文运用有限元软件PLAXIS，对软土地基上旧路拓宽工程进行了数值模拟，分析了拓宽路堤对原有道路的影响和新旧道路的差异沉降问题，在此基础上，对差异沉降的常用处理方法也进行了相应的计算分析。

2、有限元计算模型PLAXIS程序是由荷兰开发的专门用于分析岩土工程变形和稳定性的大型有限元计算程序。

该程序界面友好，建模简单，能自动进行网格剖分。

用于分析土的本构模型有：线弹性模型、Mohr-Coulomb模型、修正Cam-clay模型等，这些模型可以模拟施工步骤，进行多步计算。

该程序能够计算两类工程问题，即平面应变问题和轴对称问题，能够模拟包括土体、墙、板、梁结构等各种元素和土体的接触面，以及锚杆、土工织物、隧道、桩基础等。

PLAXIS程序能够分析的计算类型有：1变形；2固结；3 分级加载；4 稳定分析；5 渗流计算，并且还能考虑低频动荷载的影响。

旧路拓宽改造后新旧路基变形有限元研究摘要：产生裂缝的根本原因在于新老路基产生不均匀沉降和新老路的界面强度低于结构层材料自身强度的缘故。

正是由于新老路相连处较大的弯拉应力和较低的界面强度，致使在这样的部位极易产生开裂破坏，从而在结合部位置常出现纵向裂缝。

关键词：道路拓宽；改造；路基；研究近年来，道路拓宽工程较多，在道路拓宽改造工程完成后，在新老路基上方路面常出现纵向裂缝，裂缝宽度随路堤高度、填土高度及其性质等变化而不同。

产生裂缝的根本原因在于新老路基产生不均匀沉降和新老路的界面强度低于结构层材料自身强度的缘故。

正是由于新老路相连处较大的弯拉应力和较低的界面强度，致使在这样的部位极易产生开裂破坏，从而在结合部位置常出现纵向裂缝。

1．有限元分析模型为了讨论公路拓宽改建后新老路堤与地基共同变形的特性，分析影响沉降的因素，本文借助有限元程序对图1所示的路基进行有限元计算，计算在不同路基模量、地基模量、填土高度以及边坡坡度等因素影响下新老路基顶面，原地基表面的沉降量和地基在不同深度处的侧向位移；分析不均匀沉降产生的原因及其主要影响因素，为地基处治和新路路基填筑提供理论依据。

土的本构模型采用Drucker-Prager(D-P)理想弹塑性本构模型。

该模型采用广义V onMises屈服准则，其流动法则采用相关联流动法则，由于是理想弹塑性模型，所以没有硬化准则。

本文数值计算参数变化范围如下：老路基顶面宽度B0=9m；加宽路基部分宽度B1=9m；边坡坡度采用1：1.5路堤填土高度H为2，5，10m老路路基填土弹性模量E1＝50MPa拓宽部分填土变形模量E2为5，10，20，30，40，50，100Mpa地基土变形模量E3为2，5，10，20，50Mpa图1为计算时典型的有限元分析模型，在路基土沉降变形的有限元分析中，将新填筑的路基土和地基土视为弹塑性材料，而将老路路基视为弹性材料，按平面应变问题求解。

其中，路基和地基采用平面四边形等参单元，新老路基间完全粘合，无相对滑移。

高速公路拓宽工程的若干方面分析软土地区的高速公路拓宽工程中，由于新老路基结合不良、软土地基工后沉降等原因导致路面纵向裂缝、错台、道路横坡突变甚至新路基整体滑塌等病害，从而使高速公路本应具有的高速性、快捷性、畅通性的优势大打折扣，因此开展拓宽路基下软土地基沉降的准确计算和新老路基差异沉降控制标准的确定就变得很有必要[1-5]。

在此应用ADINA有限元软件建立路基沉降模型，并对路面结构层内应力进行计算，分别从路面材料的劈裂破坏和疲劳破坏两个方面分析，得出新老路基差异沉降的控制标准值，其结果对高速公路拓宽工程的设计理论和施工组织起到借鉴作用。

1 拓宽路基模型建立数值分析模型中假设路基有足够的长度，故采用平面应变模型来模拟新老路基的应力和变形特征，并以路基中心线为轴，取对称道路的一半进行分析，计算中地基和路基土体均采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，应用四边形等参单元进行非线性静力分析。

老路基下地基的固结变形视为已经完成，初始应力场由地基土和老路基土的自重形成，并将初始位移回位归零。

2 差异沉降控制标准确定2.1 路面结构层内应力分析利用matlab软件对上述高速公路拓宽路基有限元模型的结果进行处理，拟合出路基表面沉降与距离原有路基中心线的水平位移的关系表达式，并将此曲线作为边界条件直接施加到底基层底面，从而建立差异沉降作用下路面结构层应力响应的计算模型。

本文以反坡率λ=s/L作为新老路基差异沉降的控制标准，其中s表示新老路基的差异沉降，L表示路基顶面最大沉降点到老路基中心线之间的水平距离。

现将路基顶面最大沉降量控制在2～20cm的范围内分别进行计算，得到各结构层附加应力值。

路面各结构层内的附加应力均随新老路基差异沉降的增大呈现线性增长的趋势。

面层基本处于受拉状态，其采用中粒式沥青混凝土，该材料的劈裂强度为1.0MPa；半刚性基层和底基层材料选用水泥稳定级配碎石，劈裂强度为0.6MPa，由于沥青混凝土材料柔性较好，它可以承受较大的变形而不致引起路面层的破坏，故路面结构中应由抗拉强度较低的基层材料是否发生破坏来确定新老路基的差异沉降。

公路路基拓宽改建技术分析随着近年来我国经济的快速发展，既有公路的运输能力已不能满足日益增加的交通运输量需求，公路运输能力亟待提高。

一、公路路基拓宽方式力学行为比较1.有限元模型建立计算分析选用PLAXIS，该软件计算功能强大、运算稳定、界面友好。

PLAXIS 中使用Biot固结理论克服了Terzaghi—维固结理论仅考虑竖向压缩变形和竖向孔隙水渗流的缺陷，渗流问题采用Darcy定律。

并可通过Phi/c折减方法，即剪切强度折减法，获得土体结构稳定安全系数。

2.数值分析模型建立因所研究问题的非对称性，故取全结构模型，并以目前我国一二级公路基拓宽的主流方式为准，即由双向四车道拓宽为双向八车道。

原路基顶面宽26m，拓宽至42ni，路基高度为6m，边坡坡比为1：1.5。

模型中地基由14m厚的游泥质粘土层和5m厚的密实砂土持力层组成。

地下水位较高，位于软基表面以下Im 处。

在新路基外侧坡脚地表以下3m处取点EP-C，作为新路基填筑全过程超孔隙水压力动态变化监测点。

由于原一二级公路地基已基本固结沉降稳定，而两侧地基基本为原状地基，为真实反映这一土体特性，建模时以I区代表远离旧路基荷载作用范围的齡泥质粘土，II区代表旧路基荷载作用范围内有一定固结度的游泥质粘土。

下图为桩网结构处治软土地基一二级公路路基单侧式拓宽的有限元计算模型。

图1为桩网结构处治软土地基一二级公路路基单侧式拓宽的有限元计算模型。

3.安全稳定性可见，无处治措施时，滑动面大致呈通过路堤本体并深入至齡泥质粘土内的圆弧状，而经柱网结构处治后，潜在滑动面尽管仍为通过路基本体及齡泥质粘土的圆弧状，但并未发生于新路基一侧，而是转移至旧路基侧。

通常情况下多在新路基外侧坡脚处地基内设置测斜管，监测该断面的侧向位移的动态变化情况以评价路堤稳定性，暗示对于路堤拓宽路段，如采取桩承式加筋路堤技术，仅需验算新填路基侧的稳定性。

经桩网结构处治后，有可能于老路基侧发生滑动，这固然与本文计算模型所取参数直接相关，但仍表明桩网结构处治软土地基路堤拓宽时，应对老路基侧的稳定性予以足够重视。

公路　２０１２年９月　第９期ＨＩＧＨＷＡＹ　Ｓｅｐ．２０１２　Ｎｏ．９　文章编号：０４５１－０７１２（２０１２）０９－０００９－０５ 中图分类号：Ｕ４１８．８ 文献标识码：Ａ高速公路拓宽工程新老路基差异沉降的数值模拟沈国印１，李修忠２（１．河南交通投资集团有限公司　郑州市　４５００１６；２．黄淮学院　驻马店市　４６３０００）摘　要：对于高速公路拓宽工程，采用ＡＢＡＱＵＳ有限元软件对拓宽后新老路基差异沉降进行了数值模拟，分析了加宽方式、加宽宽度、路堤高度、路堤模量、路基填料重度、土基模量、软土地基厚度等各种因素对地基及新老路基附加沉降的影响，对高速公路拓宽工程具有一定的指导意义。

关键词：拓宽工程；有限元；差异沉降；新老路基 随着国民经济的快速发展，我国高速公路建设十分迅速。

早期建设的高速公路，由于受建设时社会经济水平、技术水平和建设思想的制约，绝大多数是双向四车道，六车道和八车道高速公路所占比例较低。

现在有相当一部分已不能适应交通量增长和社会发展的要求，迫切需要扩大道路通行能力。

从长远发展和经济效益的角度讲，高速公路的改扩建工程将是我国２１世纪初公路建设的新阶段［１］。

高速公路拓宽工程面临的最大难题是新老路基的差异沉降。

本文通过有限元分析方法对拓宽后新老路基差异沉降进行了数值模拟，为高速公路拓宽工程设计与施工提供一定的理论指导。

１　沉降计算方法目前，国内地基沉降估算多采用分层总和法，固结计算采用太沙基一维固结理论，假设地基只产生竖向的变形。

对于扩建工程，应用分层总和法没有办法考虑新老路基的相互影响，在新老路基结合处的差异沉降计算值偏大，不能有效地模拟差异沉降的横断面形状。

并且分层总和法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，而后者才影响着路面结构的受力状态［２］。

有限元法能够适应复杂的边界条件、材料及状态的非线性，考虑时间效应进行固结和沉降的计算，可以模拟施工的全过程，以求得任意时刻的地基及路基 的位移和应力。