高速公路拓寬路基差異沉降研究

張 骉

(中咨華科交通建設(shè)技術(shù)有限公司，北京 100195)

0 引 言

隨著基礎(chǔ)交通網(wǎng)絡(luò)的日益完善,高速公路的建設(shè)規(guī)模日益擴(kuò)大,施工質(zhì)量控制也更加嚴(yán)格。但由于交通量的快速增長(zhǎng)、設(shè)計(jì)理念落后等原因,使得原有道路的通行能力無(wú)法滿足需求,從而導(dǎo)致交通擁堵事故頻發(fā),影響行車安全性和舒適度。鑒于此,需要對(duì)原有的高速公路進(jìn)行拓寬處理,而控制新老路基間的不均勻沉降是高速公路改擴(kuò)建的核心內(nèi)容之一。但是,工程人員在開展高速公路拓寬路基設(shè)計(jì)時(shí),仍以工程類比法為主,對(duì)新老路基間的差異沉降理解不深刻。因此,研究高速公路拓寬路基差異沉降機(jī)理、變形規(guī)律及處治措施具有十分重要的工程意義。

1 高速公路拓寬路基沉降機(jī)制及計(jì)算理論

1.1 新老路基差異沉降機(jī)制

路基沉降變形大小與加寬形式、填料本身和地基土的壓縮性、外部荷載密切相關(guān)。公路運(yùn)營(yíng)期間,老路基受到行車荷載、自身重力的作用發(fā)生固結(jié)變形,土體孔隙內(nèi)的水和空氣排出,土體體積減小,路基工后沉降持續(xù)增加直至穩(wěn)定。公路拓寬后,新填筑路基的沉降一般小于老路路基沉降。

在高速公路拓寬期間,老路基會(huì)發(fā)生3次沉降:第一次沉降是老路基在自身荷載下的沉降。如果公路運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng),老路基固結(jié)基本完成,此時(shí)沉降約等于0;第二次沉降是新路基填筑對(duì)老路基產(chǎn)生的附加應(yīng)力所引起的沉降;第三次沉降路基擴(kuò)寬后,老路基受車輛荷載和新路基附加應(yīng)力共同作用所導(dǎo)致的沉降。新路基會(huì)發(fā)生2次沉降:第一次沉降是新路基在分層填筑壓實(shí)過(guò)程中發(fā)生的瞬時(shí)沉降和主固結(jié)沉降;第二次沉降是新路基在車輛荷載作用下的工后沉降。

1.2 新老路基差異沉降計(jì)算

路基填料及地基土均屬于彈塑性變形材料,可采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型來(lái)模擬公路改擴(kuò)建路基的變形特性。該模型所需參數(shù)簡(jiǎn)單,計(jì)算結(jié)果的精確度主要受到材料的黏聚力和內(nèi)摩擦角影響,且偏保守,在巖土工程分析中得到了應(yīng)用廣泛。摩爾-庫(kù)侖的破壞函數(shù)可選擇有效應(yīng)力法,公式如下:

τf=σtanφ+c

τf=σ′tanφ′+c′=(σ-u)tanφ′+c′

式中:τf為抗剪強(qiáng)度;c、φ為黏聚力和內(nèi)摩擦角;c′、φ′為有效黏聚力和有效內(nèi)摩擦角;σ為法向應(yīng)力;σ′為有效法向應(yīng)力。

2 高速公路拓寬路基差異沉降特性

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展,越來(lái)越多的公路改擴(kuò)建路基差異沉降開始采用有限元分析法計(jì)算。擬選擇有限元軟件MIDAS GTS建立計(jì)算模型,依托某山區(qū)公路來(lái)分析加寬寬度、路基填料公路改擴(kuò)建路基沉降特性的影響。

2.1 工程概況

某高速全長(zhǎng)24.5 km,路線起訖樁號(hào)為K6+480-K30+980,建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車道,設(shè)計(jì)速度100 km/h。公路沿線地勢(shì)平坦,填土高度小于8 m,填方坡率取1∶1.5,填料采用碎石土。地基土以強(qiáng)風(fēng)化砂巖和中風(fēng)化砂巖為主,其承載力滿足路基填筑要求。根據(jù)勘察報(bào)告和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),碎石土容重取20.5 kN/m3、黏聚力取5 kPa、內(nèi)摩擦角取35°、彈性模量為40 MPa;強(qiáng)風(fēng)化砂巖容重取22 kN/m3、黏聚力取24 kPa、內(nèi)摩擦角為26°,中風(fēng)化砂巖容重取24 kN/m3、黏聚力取35 kPa、內(nèi)摩擦角為40°。

該高速公路老路基寬26 m?，F(xiàn)在要對(duì)老路進(jìn)行雙側(cè)加寬建設(shè),加寬寬度為8 m,填筑高度為6 m,加寬部分的邊坡坡率與老路邊坡相同。

2.2 路基二維計(jì)算模型

(1) 基本假設(shè)。公路是帶狀結(jié)構(gòu)物,路基沉降計(jì)算屬于平面應(yīng)變問(wèn)題的范疇,故建立二維計(jì)算模型。同時(shí),該公路運(yùn)營(yíng)時(shí)間較長(zhǎng),老路基的固結(jié)基本完成,初始位移場(chǎng)設(shè)為零,路基自重及行車荷載采用等效土柱來(lái)模擬。

(2) 邊界條件。由于地下水位較低,對(duì)路堤填筑影響較小,將公路新老路基的模型底部設(shè)為不透水邊界,并對(duì)其X方向、Y方向、Z方向完全約束;路基頂部和邊坡坡面屬于自由邊界條件,可發(fā)生豎向壓縮和水平位移,且新老路基間接觸為完全連續(xù)接觸;地基進(jìn)行X方向約束,只產(chǎn)生豎向壓縮變形。

(3) 網(wǎng)格劃分。由于路基兩側(cè)對(duì)稱,建立半幅路基模型即可,如圖1所示。路基模型的網(wǎng)格劃分采用四邊形單元,同時(shí)為了提高模型計(jì)算精確度,新老路基結(jié)合位置的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理,網(wǎng)格尺寸取1 m,其他部分網(wǎng)格均取2 m,共劃分出單元3 824個(gè),節(jié)點(diǎn)4 568個(gè)。

圖1 老路基有限元模型

2.3 加寬路基不均勻沉降影響因素

(1) 加寬寬度的影響。舊路基高取6 m,單側(cè)加寬寬度取6 m、8 m、10 m和12 m。改擴(kuò)建路基模型建成后,在路基頂面和地基土頂面每隔1 m設(shè)置一個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn),得到各加寬寬度下路基及地基土的總變形,如圖2所示。

圖2 加寬寬度對(duì)路基變形的影響

圖2表明:在老路中心附近,路基頂面變形為負(fù)值,說(shuō)明老路基受到新路基的側(cè)向擠壓而隆起。當(dāng)距離老路中心超過(guò)5 m時(shí),各加寬寬度下路基頂面沉降變形均隨著距老路中心點(diǎn)距離的增加而增加。同時(shí),路基加寬寬度越大,路基頂面沉降變形越大,則新老路基間的差異沉降也越大。單側(cè)加寬寬度為6 m、8 m、10 m、12 m的路基,其最大沉降量分別為5.98 cm、8.05 cm、9.97 cm、11.46 cm。

(2) 填料彈性模量的影響。改擴(kuò)建路基施工期間,由于施工工藝的差別,可能導(dǎo)致沿線路段路基填料的彈性模量不同,從而影響了路基的抗變形能力。為了探究在路基填料的彈性模量對(duì)其沉降變形特性的影響,在單側(cè)加寬寬度取8 m,舊路基高取6 m的工況下,分別計(jì)算了填料原彈性模量±5 MPa和±10 MPa后各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降變形規(guī)律,如圖3所示。

圖3 填料彈性模量對(duì)路基變形的影響

圖3表明:當(dāng)與老路中心的距離小于16 m時(shí),不同填料彈性模量下的路基頂面沉降基本無(wú)差別。反之,填料彈性模量增加,路基頂面沉降會(huì)降低,但降低速率會(huì)逐漸變緩。

彈性模型為30 MPa、35 MPa、40 MPa、45 MPa、50 MPa時(shí)的路基頂面最大沉降分別為8.48 cm、8.05 cm、7.88 cm、7.78 cm、7.74 cm。以填料彈性模量30 MPa對(duì)應(yīng)的路基沉降為計(jì)算基準(zhǔn),則彈性模量每增加5 MPa,路基頂面最大沉降降低率為5.1%、2.1%、1.26%、0.51%。這說(shuō)明新路基填料的彈性模量達(dá)到某一臨界值后,繼續(xù)提高彈性模量對(duì)路基變形的改善效果較差。

3 高速公路拓寬路基沉降處治措施

3.1 提高路基壓實(shí)度

相關(guān)學(xué)者研究成果表明,高速公路改擴(kuò)建之后新路基壓實(shí)度一般會(huì)比舊路基提高1%左右。提高路基壓實(shí)度,能確保土顆粒之間的結(jié)合更加緊密,減小土體孔隙率和壓縮系數(shù)。在反復(fù)行車荷載作用下,能減小新路基在施工結(jié)束后的壓縮變形量,降低新老路基間的差異性沉降,提高路基的承載性能和整體穩(wěn)定性。

3.2 鋪土工格柵

在高速公路拓寬路基鋪土工格柵,能夠提高土體的抗剪強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度、降低其壓縮性,加固機(jī)制如下:土工格柵表面粗糙,呈凹凸不平的狀態(tài),可以和土顆粒很好地結(jié)合在一起,相互作用下不至于輕易脫離,兩者之間的相互作用主要體現(xiàn)為摩擦力和咬合力的提高。同時(shí),土顆粒和土工格柵會(huì)產(chǎn)生“界面應(yīng)力”限制土工格柵的相對(duì)滑動(dòng),使得土工格柵必然會(huì)承受一定的拉應(yīng)力。由于土工格柵的抗拉性能良好,可以為土體分擔(dān)一部分的外部荷載,相當(dāng)于減少了土體本身的荷載。

3.3 采用輕質(zhì)填料

輕質(zhì)材料一般重度較小,高等級(jí)公路加寬路基采用輕質(zhì)材料能有效地降低作用在地基上的荷載,從而減小土體中的附加應(yīng)力和沉降變形。常用的路堤輕質(zhì)填料有二灰(石灰、粉煤灰)輕質(zhì)填料和泡沫混凝土輕質(zhì)填料,前者適用于老路沉降未穩(wěn)定,且對(duì)環(huán)境敏感度較低的路段;后者適用于沉降速率大,對(duì)路基震動(dòng)有特殊要求的地段。同時(shí),在填筑輕質(zhì)材料路段和一般路基之間要開挖臺(tái)階設(shè)置過(guò)渡段,臺(tái)階高度在0.5～1.0 m,坡比宜為1∶1～1∶2,以提高路基的整體穩(wěn)定性。

4 結(jié) 論

在分析高速公路拓寬路基差異沉降機(jī)制的基礎(chǔ)上,利用MIDASGTS軟件分析了其沉降變形特性和處治措施,主要得到以下結(jié)論:

(1) 拓寬路基差異沉降與填料和地基土的壓縮性、外部荷載等因素密切相關(guān),可用摩爾-庫(kù)侖理論來(lái)計(jì)算。

(2) 在道路中線附近,老路基受到新路基的側(cè)向擠壓而隆起,其他位置沉降是隨著距道路中線距離的增加而增加。

(3) 隨著路基填料彈性模量的增加減緩,路基沉降總量呈降低趨勢(shì),但降低速率逐漸變緩。

(4) 高速公路差異沉降處治措施可采用提高路基壓實(shí)度、鋪土工格柵、輕質(zhì)填料等手段。