广东华路交通科技有限公司
摘要：对于旧路扩建工程，普遍关注新旧路搭接部分的差异沉降和路面破损状况，扩建工程对旧路的影响研究较少，而实际上，不同扩建工程因为地基条件、修建和养护历史、扩建工程地基处理设计方案等因素都不相同，每个扩建工程都具有不同的特点，扩建工程对旧路的影响，也不尽相同，从某某高速扩建工程的现场观测和实测数据发现，扩建工程对旧路的影响更为显著，路面裂缝产生的位置发生的旧路面，而不是新旧路面搭接的位置，为进一步了解某某扩建工程对旧路造成的影响，分析扩建工程产生病害的原因，本项目结合某某扩建工程典型断面，采用数值分析法进行模拟分析。
一、分析软件简介
本报告数值分析采用达索SIMULIA公司（原ABAQUS公司）开发的大型通用有限元分析软件ABAQUS 6.13.2，作为一种功能强大的有限元分析软件，ABAQUS在商业有限元软件中占有了极其重要的角色。贯穿了简单的线弹性问题到复杂的几何非线性和材料非线性问题均获得了广泛应用。其有效性不论是工程应用还是科学研究方面均得到了验证，在设计、咨询、研究领域取得了巨大的成功。ABAQUS包含了丰富的单元库和材料库，能够模拟各种材料受力和变形行为。涵盖了现实世界中可能遇见的所有工程问题，具有较为完整的岩土工程分析过程和材料模型，提供了解决土力学和岩石力学、地下结构、基坑开挖、土结构相互作用等绝大多数岩土工程问题。
二、本构模型
工程中常用的土体本构模型有Mohr-Coulomb模型，该模型为理想弹塑性模型，参数获得简单，物理意义明确，使用经验积累较多。但其对土体的非线性特性简化过于简单，不能考虑土体刚度随应力水平增大的影响，也不能考虑土体刚度随土体复杂应力路径（如卸载）的影响，因此可能计算得到的沉降值偏大。因此，对于应力路径较为复杂，土体应力水平较大的情况，宜采用可考虑应力路径和应力水平的模型，例如修正剑桥模型（Modified Cam-clay），该模型不仅能反映土体的复杂非线性特性，又能考虑开挖卸载等复杂应力路径，是目前国内外普遍认可的完整性较好的土体本构模型。
剑桥模型是由英国剑桥大学Roscoe等人建立的一个有代表性的土的弹塑性模型，它主要是在正常固结土和弱超固结土的试验的基础上建立起来的，后来也推广到强超固结土及其他土类。该模型采用了帽子屈服面和相适应的流动规则，并以塑性体应变为硬化参数，在国际上被广泛地接受和应用。作为剑桥模型理论基础的“临界状态土力学”已成为土力学领域中的一个重要分支。
ABAQUS中用来模拟非粘结性材料的塑性本构理论正是基于临界状态的塑性理论，该软件中使用的模型是在原有“修正剑桥模型”的基础上进行了扩展。
修正剑桥模型的屈服函数为（见图1）：
.png)
本报告对于淤泥质土、粉质粘土均采用修正剑桥模型（Clay Plasticity）模拟，对于粘质砂土和路堤填土，本报告采用Mohr-Coulomb模型进行模拟。本构模型计算参数根据勘察报告所提供的参数，没有提供的模型参数根据相关经验确定。模型参数设置见表1。
表1 土层材料模型参数
图5土体压缩和回弹曲线
三、数值模型
选取某某高速扩建工程典型断面K24+930为分析断面，建立扩建工程二维平面应变数值模型，如图6所示。基于路道路断面的对称性，取一半建模。路堤下方土层分布由上到下分别为1m厚的填土层、4m厚的粉质粘土层、6m厚的淤泥质土层及9m厚的粘质砂土层。其中粉质粘土及淤泥质土为软土层，其含水量较大、渗透性较低，抗剪强度也比较小。粘质砂土层处于正常固结到超固结状态。地下水位于地面以下1m处。于旧路下方设置塑料排水板作为旧路地基固结排水通道，塑料排水板三角形分布，间距1.3m，打穿软土层，有限元计算模型见图6。
整个分析过程按某某高速公路的实际情况设置，即“旧路修筑→旧路的固结→新路路堤的分层填筑→扩建工后分析”这一过程进行分析计算。
四、计算结果分析
图7为旧路开始修筑至竣工投入运营12年时间里旧路中心位置沉降发展曲线，数据显示从开始到运营12年后旧路中心位置沉降量达到1.36m，工后沉降为7.71cm。
通过超孔隙水压力的分布可以了解地基土体的固结情况。图8（a）（b）分别展示了旧路修建完成及投入运营12年后的地基土体超孔隙水压力的分布。从图（a）可以看出旧路修筑刚完成时，路堤下方的超孔隙水压力已大部分消散，但下卧层区域尚未完成。平均固结度为93.3%。从图b中可以看出，运营12年后，路堤下方地基土体超孔隙水压力已基本完全消散，仅在远离路堤区域中有残余，平均固结度达98.9%。由此可见，在经过12年的运营后，旧路地基的固结已趋于完成，沉降趋于稳定。
.png)
图6有限元计算模型
图9为添加新路堤后地表位置附加垂直应力分布，从图中可以看出，扩建工程不仅在新路之下路面引起附加应力，在旧路下路面位置的附加应力也相当可观。
图10为地基中不同断面（A、B、C、D四个断面位置见图3-16）的因扩建工程而造成的垂直应力分布图，从图中可看出地基土中各个位置都有较可观的垂直应力，尤其是在C断面，即旧路边坡坡脚下方位置，而旧路中的A、B断面处各点垂直应力也在10~30kPa之间。由此可见，扩建工程新路填筑在旧路地基及新路地基中都造成了较显著的附加垂直应力。
图8地基中超孔隙水压力分布云图
.png)
图7地表沉降-时间曲线 图9地表垂直应力分布
图10地基土中垂直应力分布
.png)
图11地面不同时期总沉降
图3-21为地面各点不同时期的沉降。从图中可以看出，由于新路的填筑，造成了新路及旧路下方地基的附加沉降。而原旧路下方的附加沉降值接近15cm。可见新路填筑对旧路地基造成的影响是显著的。
图12为地表各点扩建完成及竣工15年后的附加总沉降分布图，图示沉降分布规律与图3-19所示地表垂直应力分布规律一致。
.png)
图12扩建完成时及工后15年地面附加总沉降
图13为由图12中两条曲线相减所得曲线，即新路扩建工后沉降曲线。从图中可以看出，新路扩建工后沉降最大位置出现在新路扩建区域，但扩建工程对旧路所造成了影响也不容忽视，部分旧路下方地表位置的工后沉降超过13cm，且旧路不同位置的工后沉降差异也相对明显，形成不均匀沉降易造成道路开裂。
.png)
图13工后沉降分布曲线
从数值计算结果可知，旧路地基采用以塑料排水板作为排水通道的排水固结法进行加固处理，经过多年运营，地基土体固结已趋完成。即便如此，在紧邻旧路填筑新路，不仅在新路下方地基中引起较明显的附加垂直应力，同时也会在旧路地基中引起较为显著的附加垂直应力，从而使得旧路地基再次固结，产生新的沉降。
某某高速旧路地基采用塑料排水板进行排水固结处理，取得的固结效果相对有限，即旧路地基强度相对较弱。而某某高速公路公路建成通车至今已超过16年，长期的交通荷载及路堤填土作用下，旧路地基的沉降已趋于稳定，而在新路扩建完成后，部分路段却出现较为严重的路面开裂等病害。
究其原因，某某高速所在地区软土较为深厚，性质较差，尽管建成通车十多年来路基固结沉降已逐步完成，但是拓宽新路堤荷载在旧路地基中引起较为显著的地基附加垂直应力。而另一方面旧路地基采用塑料排水板进行加固取得效果较为有限，旧路地基强度不足以承受新路填筑所带来的新荷载，从而使得旧路地基产生新的沉降。
结语
计算结果显示扩建后旧路地基存在着较为显著的不均匀沉降，而路基的不均匀沉降往往会造成路面裂缝的出现。广东地区多雨潮湿，降水通过裂缝侵入路面基层以至路基，从而造成路基软化。此外某某高速公路一直承受较大的交通量，在行车荷载的反复作用及新路堤荷载的作用下，旧路地基将发生更为严重的沉降，而由沉降引起的开裂又使得雨水更易侵入地基，形成恶性循环。
综上所述，新路填筑造成旧路地基沉降较大，进而引起路面病害的根本原因在于较弱的旧路地基无法抵抗新路填筑所带来的附加荷载，在较显著垂直应力的作用下，形成新的沉降。因此，若要减小新路对旧路地基的影响，有必要对旧路地基进行加固处理。