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摘要：分析了道路改扩建工程中新老路基搭接处理不当导致的常见病害及其产生的机理、通过数值模拟的方法研究新老路基处开挖台阶对路基沉降及应力分布的作用机理及改善效果进行分析。
关键词：搭接；差异沉降；开挖台阶
道路新老路基搭接常见病害的机理分析
道路改扩建工程路基加宽出现的各种病害，其产生的原因与地质勘查、设计施工以及气候、水文、地质条件等多方面因素有关。病害的发生往往是多种因素共同作用的结果，但新老路基之间的不良结合和差异沉降是最根本的原因，也是路基加宽工程中的主要控制因素。交接处的开裂，裂后雨水下渗至路基，降低路基的强度。又因车流荷载的作用，进一步地扩展交接处裂缝，给雨水的渗入打开了更宽的通道，形成了一个恶性循环的破坏。病害的发展一般会遵循这样一个循环破坏模式：不良结合和差异沉降→交接处开裂→雨水下渗→路基强度降低→交接处进一步开裂→循环破坏，加速路基的破坏。
计算软件及参数假定：
软件：ABAQUS有限元软件
计算假定
1）新路基的加宽方式选取双侧加宽，新加宽路基以老路中心线为中心，在老路基两侧加宽宽度相同。
2）因为路基足够长，故新老路基搭接后路基及地基的变形视为按平面问题进行处理。
3）新老路基及地基的接触面完全连续，新老路基填土、地基土的本构模型选用弹塑性模型：扩展的Drucker-Prager模型，模型中单元采用平面应变八结点等参单元。
4）路面荷载等效为1m厚的路基填土荷载，交通车辆荷载等效为10kPa均布荷载。
5）假定老路基和地基的沉降变形已经完成，有限元分析中，对老路基和地基部分进行初始地应力的平衡。
材料参数：
材料参数表
计算工况：
拓宽8.25m，新填路基高度为5m，原老路边坡坡度为1：:1.5的算例，选取下面三种台阶开挖方案进行计算，并将计算得到的结果与未开挖台阶时的结果做对比分析。
方案一：将老路基边坡坡度削坡成1:1，而后开挖5级台阶，各级台阶尺寸均为高度1m，宽度1m。
方案二：保持老路基边坡坡度不变，开挖5级台阶，各级台阶尺寸均为高度1m，宽度1.5m。
方案三：保持老路基边坡坡度不变，开挖2级台阶，各级台阶尺寸均为高度2.5m，宽度3.75m。
计算结果分析：
1.对沉降的影响：
表5.1 路基内最大水平位移和竖向沉降计算结果
根据表4.1中最大水平位移数据可知，开挖台阶的方案路基顶面最大水平位移都比不开挖台阶的路基顶面最大水平位移要大，并且方案一和方案三的最大水平位移较大，方案二的最大水平位移较小，方案一和方案三的水平位移最大点分别出现在新老路基搭接部和距搭接部一定距离的新路基内。
2.对路基内部应力的影响：
由于开挖台阶改变了新老路基搭接处的几何形状，而且开挖形式规律性不强，只分析其水平位移及竖向沉降并不能完全反映其作用，下面将结合开挖台阶后路基及地基内的应力变化来分析开挖台阶对新老路基搭接的影响。
未开挖台阶 开挖方案一 开挖方案二 开挖方案三
各方案与未开挖台阶路基内附加应力云图
分析上图可知，开挖台阶后，新老路基搭接面两侧的附加应力分布情况相对于未开挖台阶的情况，新老路基搭接处的应力集中现象有消散的趋势，这说明开挖台阶改变了搭接后路基内的附加应力分布，使应力的分布相对更加均匀，这对搭接后路基的稳定是有利的。
未开挖台阶 开挖方案一 开挖方案二 开挖方案三
各方案与未开挖台阶路基内剪切应力云图
分析上图可知，未开挖台阶时，最大剪切应力出现在新老路基的坡脚处和新路基的坡脚处以及新路基正下方的地基深处，在搭接面两侧的路基内的剪切应力有集中的现象，新老路基搭接面成为最容易发生剪切滑动的面，而从后面三种开挖台阶方案的路基内的剪切应力云图来看，开挖台阶后，路基及地基内的剪切应力分布更加均匀，搭接处的剪切应力集中有消散的趋势，路基及地基内的剪切应力均有不同程度的减小，新老路基搭接面产生滑动的可能性也随之减小。比较三种方案，对于地基内剪切应力作用效果最好的是方案三，方案二次之，方案三最差。
综合未开挖台阶和三种开挖台阶的方案在路基顶面水平、竖向沉降以及路基内部剪切应力的作用效果来看，方案二为这几种方案中的最优方案，在对新老路基进行搭接时，应开挖台阶，但应尽量较少对老路基的开挖量，并根据具体情况，设置合理的开挖级数和开挖尺寸。
论文作者:徐小林
论文发表刊物:《基层建设》2018年第35期
论文发表时间:2019/3/27
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