低等級(jí)公路改擴(kuò)建中涵洞地基變形數(shù)值分析*

羅克文， 廖浩成， 張宇輝， 王中恩， 謝繼登

(1.廣西壯族自治區(qū)玉林公路發(fā)展中心， 廣西 玉林 537000；2.湖南省蓮株高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司，湖南 株洲 412000；3.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

為提高已建成公路的通行能力，公路改擴(kuò)建工程陸續(xù)開(kāi)展，涵洞加寬技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。Sun L.等對(duì)公路路基加寬產(chǎn)生的新涵洞荷載增加問(wèn)題展開(kāi)研究，通過(guò)布設(shè)EPS板并使用FLAC對(duì)涵洞荷載進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)布設(shè)EPS板可以減荷。吳萍結(jié)合洛三(洛陽(yáng)—三門(mén)峽)高速公路改擴(kuò)建工程，對(duì)橋梁、涵洞及通道的拼接方案選擇、設(shè)計(jì)要點(diǎn)等進(jìn)行了論述。羅火生以佛開(kāi)(佛山—開(kāi)平)高速公路改擴(kuò)建工程為背景，對(duì)橋涵、路基拼接技術(shù)進(jìn)行了研究。余?？∫劳袦拣?上?！贾荨獙幉?、滬寧(上?！暇?高速公路改擴(kuò)建工程，對(duì)中小型新舊結(jié)構(gòu)物的拼接機(jī)理、地基處理方式進(jìn)行了總結(jié)。楊亮以某高速公路拓寬工程為例，對(duì)涵洞搭接部位的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，研究了動(dòng)載對(duì)涵洞搭接部位不均勻沉降的影響。王超對(duì)不同加寬跨徑、涵頂填土高度和加寬方式下新舊涵拼接處的受力情況和變形特征進(jìn)行了分析。姚紅偉以金溫鐵路涵洞改造施工為例，對(duì)處于正常運(yùn)營(yíng)狀態(tài)下的鐵路涵洞的施工技術(shù)措施進(jìn)行研究，探討了不同條件下涵洞的加寬改造方案。成超以鄭漯(鄭州—漯河)高速公路改擴(kuò)建工程為背景，對(duì)上埋式涵洞加寬地基處治技術(shù)進(jìn)行研究，分析了預(yù)應(yīng)力管樁處理地基和不同填土高度下新舊涵洞差異性沉降，總結(jié)了涵洞加寬方法。目前，中國(guó)對(duì)于涵洞加寬的研究主要集中于高速公路改擴(kuò)建工程，而對(duì)低等級(jí)公路改擴(kuò)建的相關(guān)研究較少。該文針對(duì)某三級(jí)公路改二級(jí)公路工程，利用ABAQUS有限元軟件建立不同處治技術(shù)下改擴(kuò)建路基和涵洞模型，分析新舊涵洞地基變形情況。

1 模型的構(gòu)建

1.1 涵洞拓寬方式

公路改擴(kuò)建工程中常用涵洞加寬方式有單側(cè)擴(kuò)建加寬、兩側(cè)擴(kuò)建加寬及舊涵洞挖除重建。

1.1.1 舊涵洞單側(cè)加寬

當(dāng)施工受到地形、地質(zhì)、氣候等因素限制時(shí)，通常采用單側(cè)擴(kuò)建加寬技術(shù)，即在舊涵洞的一側(cè)進(jìn)行拼接施工(見(jiàn)圖1)。其優(yōu)點(diǎn)是新涵洞接長(zhǎng)施工較簡(jiǎn)單，只需對(duì)新舊涵洞連接處進(jìn)行處治，施工時(shí)對(duì)舊涵洞穩(wěn)定性的影響較小。缺點(diǎn)是加寬后涵洞中線與舊涵洞中線不重合，道路改擴(kuò)建工程完成后，在荷載作用下，與兩側(cè)加寬時(shí)相比，涵洞頂部易發(fā)生破壞。

圖1 涵洞單側(cè)擴(kuò)建加寬示意圖

1.1.2 舊涵洞兩側(cè)加寬

當(dāng)舊涵洞位于地勢(shì)平坦的區(qū)域，且涵洞兩側(cè)起伏不大時(shí)，可采用兩側(cè)擴(kuò)建加寬方式，即在舊涵洞兩側(cè)都進(jìn)行拼接施工。其優(yōu)點(diǎn)是改擴(kuò)建后涵洞的中線與舊涵洞的中線基本重合，車輛荷載不會(huì)單一分布在新涵洞或舊涵洞上，新舊涵洞的工后沉降分布較均勻。缺點(diǎn)是需在兩側(cè)進(jìn)行加寬，與單側(cè)加寬相比新舊涵洞拼接面增大，施工時(shí)對(duì)舊涵洞穩(wěn)定性的影響較大。

1.1.3 舊涵洞挖除重建

當(dāng)涵洞整體狀況評(píng)價(jià)為差、過(guò)水?dāng)嗝婊蚝赘叱滩粷M足規(guī)范要求，但其又起到排洪或灌溉等功能時(shí)，應(yīng)拆除重建。新涵洞的孔徑大小、結(jié)構(gòu)形式等應(yīng)不低于舊涵洞。

1.2 幾何模型的確定

使用ABAQUS進(jìn)行數(shù)值模擬，分析舊涵洞不同處治方法下地基沉降變形。依托某三級(jí)公路改二級(jí)公路項(xiàng)目，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，考慮到材料性質(zhì)的差異和結(jié)構(gòu)功能的不同，將模型劃分為新舊路基、新舊涵洞、地基等部分。模型中地基土計(jì)算厚度為17 m，其中粉質(zhì)黏土層2 m，強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層15 m；模型計(jì)算寬度取44 m，舊路路基頂部寬7.5 m，加寬后路基頂面總寬度12 m；路基高4 m；涵洞寬3 m，高3 m；路基加寬后涵洞總長(zhǎng)15 m(見(jiàn)圖2)。

圖2 整體結(jié)構(gòu)示意圖(單位：m)

1.3 邊界條件

模型底面為固定端約束(水平位移和垂直位移為零)，頂面為自由面，其余部分施加水平約束，只考慮上部填土引起的應(yīng)力、位移變化。

1.4 材料參數(shù)選取

結(jié)合涵洞加寬工程實(shí)際情況選取各部分材料力學(xué)特性參數(shù)(見(jiàn)表1)。

表1 涵洞、舊路基與地基物理力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值結(jié)果分析

重點(diǎn)研究在舊涵洞單側(cè)加寬和舊涵洞挖除重建兩種工況下地基的差異沉降，分別取距涵洞中線0、0.5、3 m處地基整體沉降位移數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。其中X向?yàn)槁坊鶛M斷面方向，Y向?yàn)槁坊疃确较?，Z向?yàn)樾熊嚪较颉?/p>

2.1 涵洞單側(cè)加寬時(shí)地基沉降特性分析

采用單側(cè)加寬拼接時(shí)，新路基填筑完成時(shí)和通車運(yùn)營(yíng)1年后地基豎向位移見(jiàn)圖3～5。

圖3 涵洞單側(cè)加寬時(shí)地基整體豎向位移云圖(單位：m)

圖4 涵洞單側(cè)加寬時(shí)路基填筑完成時(shí)地基沉降

圖5 涵洞單側(cè)加寬時(shí)通車運(yùn)營(yíng)后地基沉降

由圖3可知：隨時(shí)間增加，道路整體豎向位移增大，且道路在通車運(yùn)營(yíng)期間產(chǎn)生的沉降量小于路基填筑期間產(chǎn)生的沉降量。表明涵洞與路基的自重應(yīng)力對(duì)道路整體沉降的影響大于行車荷載的影響。

由圖4、圖5可知：路基填筑完成時(shí)，距涵洞中線不同距離的地基沉降趨勢(shì)大致相同，沉降最大值出現(xiàn)在新舊路基結(jié)合部，約為25 mm。沉降最大區(qū)域偏向于加寬路基一側(cè)，說(shuō)明新填筑路基的自重對(duì)地基沉降有一定影響。通車運(yùn)營(yíng)1年后，最大沉降量約為35 mm。表2為通車運(yùn)營(yíng)1年后地基沉降量，由模型中地基表面沉降相減得到。

表2 涵洞單側(cè)加寬時(shí)通車運(yùn)營(yíng)1年后地基沉降量

由表2可知：通車1年后，地基最大沉降量為14.4 mm，路基兩側(cè)坡腳處最小沉降量為1.6 mm，地基沉降主要發(fā)生于新舊路基結(jié)合部附近，路基兩側(cè)坡腳處沉降增長(zhǎng)很小，路基結(jié)合部與坡腳處沉降差異明顯。

2.2 舊涵洞挖除重建后地基沉降特性分析

舊涵洞挖除重建處治方式下，新路基填筑完成時(shí)和通車運(yùn)營(yíng)1年后地基豎向位移見(jiàn)圖6～8。

圖6 舊涵洞挖除重建時(shí)地基整體豎向位移云圖(單位：m)

圖7 舊涵洞挖除重建時(shí)路基填筑完成時(shí)地基沉降

圖8 舊涵洞挖除重建時(shí)通車運(yùn)營(yíng)后地基沉降

由圖6可知：與舊涵洞接長(zhǎng)處治一樣，從路基填筑完成到通車運(yùn)營(yíng)后，道路的整體豎向位移隨時(shí)間不斷增大，通車運(yùn)營(yíng)期間產(chǎn)生的沉降量小于路基填筑期間產(chǎn)生的沉降量。

由圖7、圖8可知：涵洞挖除重建后，涵洞正下方地基的沉降略大于附近地基，沿路基橫斷面地基表面沉降整體大致呈U形分布，最大沉降量約30 mm，且兩側(cè)地基沉降量很小。通車運(yùn)營(yíng)后，重建涵洞下方地基整體下沉較均勻，最大沉降量約40 mm。涵洞挖除重建后老涵洞方向的地基沉降量大于舊涵洞接長(zhǎng)處治時(shí)老涵洞方向的地基沉降量。表3為通車運(yùn)營(yíng)1年后地基的沉降量。

由表3可知：通車1年后，地基最大沉降量為12.9 mm，涵洞中線下方地基沉降量較均勻，為10～12 mm，但相對(duì)于路基兩側(cè)坡腳處下方地基沉降量有較大差異，路基兩側(cè)坡腳處最小沉降量為1.8 mm，最大差異沉降達(dá)11.1 mm。表明涵洞重建后，涵洞的自重是地基產(chǎn)生沉降的主要原因。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果比較兩種舊涵洞處治方式，涵洞接長(zhǎng)處治時(shí)地基整體沉降小于涵洞挖除重建；涵洞接長(zhǎng)后，下方地基沉降整體偏向于接長(zhǎng)涵洞一側(cè)；涵洞挖除重建后，下方地基沉降整體相對(duì)偏大但較均勻。

表3 舊涵洞挖除重建時(shí)通車運(yùn)營(yíng)1年后地基沉降量

3 結(jié)論

(1) 涵洞單側(cè)加寬時(shí)，地基整體沉降量主要發(fā)生在新填路基一側(cè)，涵洞底部地基在新路基填筑完成和通車運(yùn)營(yíng)1年后的最大沉降量分別約為25、35 mm，最大值出現(xiàn)在涵洞拼接處，且沉降由洞口至拼接處逐漸增大。

(2) 涵洞挖除重建時(shí)，涵洞底部地基在新路基填筑完成和通車運(yùn)營(yíng)1年后的最大沉降分別約30、40 mm，最大值出現(xiàn)在新老路基結(jié)合部左側(cè)附近。

(3) 與單側(cè)加寬相比，涵洞挖除重建時(shí)路基整體沉降出現(xiàn)小幅度增加，新舊路基差異沉降減小。

(4) 采用舊涵洞單側(cè)加寬時(shí)，填筑期沉降量為25 mm，通車期沉降量為10 mm；采用舊涵挖除重建時(shí)，填筑期沉降量為30 mm，通車期沉降量為10 mm。表明涵洞與路基的自重應(yīng)力對(duì)道路沉降的影響遠(yuǎn)大于行車荷載對(duì)道路沉降的影響。受涵洞自身重力與新填筑路基的影響，地基沉降最大區(qū)域出現(xiàn)在路基中線偏新路基方向一側(cè)。