裝配式組合加寬公路路基穩(wěn)定性研究

李芬,劉惠，王作君

(1.武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，湖北 武漢 430063； 2.大連理工大學(xué) 海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.武漢市坦達(dá)工程項(xiàng)目管理有限公司)

1 前言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速增長(zhǎng)，一些已建好的高速公路因車道數(shù)量較少、通行能力有限，不能滿足日漸增長(zhǎng)的交通運(yùn)輸和社會(huì)發(fā)展的需求，急需進(jìn)行改擴(kuò)建。廣佛高速公路是中國(guó)首個(gè)高速公路改擴(kuò)建工程，其后滬杭甬、沈大、滬寧等高速公路也都進(jìn)行了改擴(kuò)建，21世紀(jì)高速公路改擴(kuò)建已成為公路建設(shè)中的重點(diǎn)。但傳統(tǒng)的公路加寬方式大多是在原有公路的單側(cè)或雙側(cè)直接進(jìn)行填土，需要大量的填土量；擴(kuò)建時(shí)，新老路基的沉降差異給路面帶來(lái)的變形、開裂問(wèn)題一直是亟待解決的難題。為此，相關(guān)領(lǐng)域?qū)W者做了許多研究。王鵬等通過(guò)數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)新老路基模量相等時(shí)，加寬路面開裂的可能性最?。粭盍?、沈國(guó)印等使用有限元軟件對(duì)加寬路基進(jìn)行模擬并對(duì)路基穩(wěn)定性及沉降差異的影響因素進(jìn)行了分析；齊明芹等對(duì)高速公路加寬中軟土路基的不同處理方式進(jìn)行了比較；楊濤、梁勇旗研究了加寬過(guò)程中路基的變形特性；司曉煒結(jié)合工程實(shí)例利用有限元驗(yàn)證了土工格柵加筋技術(shù)的優(yōu)勢(shì)并給出施工建議；于恒等基于實(shí)際工程的現(xiàn)場(chǎng)勘察及數(shù)值模擬計(jì)算，分析了舊路軟基處治不佳情況下進(jìn)行道路擴(kuò)建工程施工后地基的變形機(jī)理；賴軍等利用Geo-Studio軟件，建立拓寬路基的數(shù)值計(jì)算模型，分析了不同拓寬方式及寬度、填料物理力學(xué)參數(shù)和土工格柵及樁加固參數(shù)對(duì)拓寬路基穩(wěn)定性及變形特性的影響；劉濤等利用Abaqus對(duì)比了采用挖臺(tái)階與鋪設(shè)土工格柵處理的路基與未采取處治方法的路基豎向與水平位移隨時(shí)間變化的趨勢(shì)；孟學(xué)清、劉光明對(duì)高速公路加寬差異沉降機(jī)理及控制措施進(jìn)行了研究和總結(jié)。

而實(shí)際上傳統(tǒng)公路加寬方式還存在著用土量大、塵土污染嚴(yán)重、工期長(zhǎng)等問(wèn)題，部分路段在擴(kuò)建的同時(shí)還需維持通行，施工較不便，同時(shí)，中國(guó)公路建設(shè)也逐漸進(jìn)入了資源缺乏的階段，存在著缺土、缺地等問(wèn)題。將裝配式組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用于公路加寬能更好地響應(yīng)國(guó)家推行的綠色公路建設(shè)要求。裝配式組合加寬結(jié)構(gòu)上部采取混凝土預(yù)制板與工字梁組成的鋼混結(jié)構(gòu)，下部采用高強(qiáng)度混凝土預(yù)制樁，結(jié)構(gòu)中所有構(gòu)件都可在工廠進(jìn)行預(yù)制，在施工現(xiàn)場(chǎng)再裝配，可適用于加寬時(shí)公路邊坡較高、填土不便或邊坡底部土層較軟弱等情況。合肥省繞城高速公路隴西段采用了一種新型的樁板式無(wú)土路基技術(shù)就屬于裝配式組合結(jié)構(gòu)的一種。合安高速公路擴(kuò)建項(xiàng)目中也采用裝配式結(jié)構(gòu)進(jìn)行路基加寬。經(jīng)工程實(shí)踐驗(yàn)證，采用裝配式結(jié)構(gòu)進(jìn)行公路加寬可減少用土量和征地面積，減少污染，縮短工期，且通過(guò)將預(yù)制樁打入持力層也可減少工后沉降。

但實(shí)際中對(duì)裝配式組合加寬結(jié)構(gòu)的研究較少，為探討加寬結(jié)構(gòu)路基的穩(wěn)定性，該文利用有限元軟件Abaqus結(jié)合廣西某高速公路加寬工程進(jìn)行建模分析。該公路由原先的雙向四車道改擴(kuò)建為雙向八車道，公路加寬方式采用裝配式組合結(jié)構(gòu)加寬體系，在原有的道路兩側(cè)分別進(jìn)行拓寬。下部樁基一排在既有的高速公路邊坡上，另一排位于高速公路坡底，預(yù)制橋面板的一端置于邊坡的墊塊上。采用裝配式組合結(jié)構(gòu)加寬的結(jié)構(gòu)體系示意圖可簡(jiǎn)化為如圖1所示。

圖1 裝配式組合結(jié)構(gòu)公路加寬體系示意圖

2 計(jì)算模型及參數(shù)

建模時(shí)對(duì)土體均采用Mohr Coulomb彈塑性模型。因主要研究路基的力學(xué)性能，將上部結(jié)構(gòu)當(dāng)做傳力構(gòu)件來(lái)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，作為線彈性材料處理。模型中荷載包括整體結(jié)構(gòu)的重力、橋面板的二期鋪裝以及汽車荷載三部分，其中二期恒載按照10 cm厚混凝土換算成均布荷載加載到整個(gè)橋面板區(qū)域，汽車荷載的作用按車道荷載進(jìn)行施加。根據(jù)JTG D60-2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》規(guī)定，均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值取qk=10.5 kN/m；集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值按線性內(nèi)插法取Pk=192 kN。路基土從上到下大致分為4層，樁及各土層材料參數(shù)如表1所示。對(duì)模型底面約束x、y、z三個(gè)方向的位移，前后、左右四面約束法向位移。為在確保計(jì)算精度的前提下減少計(jì)算時(shí)間，對(duì)樁附近土劃分較密網(wǎng)格，而對(duì)離樁較遠(yuǎn)的土(對(duì)樁的影響可忽略不計(jì))劃分較疏的網(wǎng)格。單元類型選擇C3D8R三維實(shí)體單元，劃分網(wǎng)格后的模型如圖2所示。

3 加寬前后公路路基邊坡穩(wěn)定性

利用初應(yīng)力提取法分別對(duì)加寬前后的路基進(jìn)行地應(yīng)力平衡，再施加荷載，并使用強(qiáng)度折減法進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，得到計(jì)算不收斂時(shí)加寬前后的等效塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖3所示。

表1 模型材料參數(shù)表

圖2 劃分網(wǎng)格后的模型實(shí)體圖

圖3 加寬前后路基邊坡等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

由圖3可得：加寬結(jié)構(gòu)下部預(yù)制樁插入土層中起到了抗滑作用，阻止了塑性變形區(qū)的貫通。加寬前后路基穩(wěn)定系數(shù)隨坡頂水平位移變化曲線如圖4所示。以水平位移出現(xiàn)拐點(diǎn)為邊坡發(fā)生破壞的判據(jù)，得加寬前的穩(wěn)定性系數(shù)為1.32，加寬后的穩(wěn)定性系數(shù)為1.58，說(shuō)明通過(guò)加寬，路基穩(wěn)定性得到了較大提高。

圖4 路基加寬前后水平位移隨穩(wěn)定性系數(shù)變化曲線

4 樁基受力特性分析

預(yù)制樁基承受著上部荷載的作用，并通過(guò)樁土相互作用將力傳遞給路基土，為了解不同位置處樁的內(nèi)力變化，選取位于路基邊坡同一側(cè)的坡底和坡上樁進(jìn)行對(duì)比分析，樁基位置如圖5所示。圖5中樁A、樁B剪力隨樁長(zhǎng)變化曲線如圖6所示。

圖5 下部預(yù)制樁基的位置示意圖

圖6 樁A、B剪力變化曲線圖

由圖6可知：在樁入土后，剪力呈正負(fù)交替式變化，與樁A相比，樁B在較大范圍內(nèi)承受著更大的剪力。得到兩樁沿樁身變化的水平、豎向位移如圖7、8所示。

圖7 水平位移隨樁深變化曲線

由圖7、8可見(jiàn)：兩樁豎向位移變化速度大致相同，樁A、B的豎向位移最大值分別為3.47和4.11 mm，樁B豎向位移比A大18.4%。因樁B承受著邊坡土體橫向下滑力的作用，水平位移樁B比樁A變化得更快，樁B最大水平位移較樁A大0.62 mm。綜合剪力、位移圖可得：樁B的剪力值和位移值均大于樁A，故在工程實(shí)際中，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量提高樁B的單樁承載力。

圖8 豎向位移隨樁深變化曲線

5 預(yù)制樁參數(shù)對(duì)路基穩(wěn)定性影響分析

因加寬結(jié)構(gòu)所處土層情況復(fù)雜，當(dāng)預(yù)制樁參數(shù)變化時(shí)，樁側(cè)摩阻力和樁端摩阻力發(fā)生改變，必然引起樁內(nèi)力的變化，同時(shí)通過(guò)樁土間的相互作用影響路基的穩(wěn)定性。選取樁長(zhǎng)、樁徑、樁土間摩擦系數(shù)3個(gè)參數(shù)對(duì)路基穩(wěn)定性進(jìn)行分析。當(dāng)研究某一參數(shù)的影響效果時(shí)，其他參數(shù)均不變，樁頂施加的外部荷載恒為520 kN，選擇受力較復(fù)雜的樁B進(jìn)行分析。

5.1 樁長(zhǎng)

取樁長(zhǎng)為9、10、11、12 m 4組模型進(jìn)行分析，得到不同樁長(zhǎng)的樁軸力、樁側(cè)摩阻力變化如圖9、10所示。

圖9 不同樁長(zhǎng)軸力隨深度變化曲線圖

由圖9可知：樁入土前(0～3 m)，樁軸力幾乎保持不變。樁入土后，樁軸力沿樁身向下逐漸減小，樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，樁軸力減小得越多，樁長(zhǎng)由9 m增加到12 m，樁底軸力減小了約18.4%。這與圖10中樁側(cè)摩阻力的變化是吻合的。樁入土后，沿著樁身向下，樁側(cè)摩阻力增大，樁長(zhǎng)12 m時(shí)樁側(cè)摩阻力最大，即隨樁長(zhǎng)的增加，樁側(cè)摩阻力發(fā)揮得越多，預(yù)制樁的豎向承載力得到提高。需要指出的是：在采用Abaqus中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)離散接觸分析時(shí)，樁端底部節(jié)點(diǎn)的摩阻力無(wú)法精確模擬，因?yàn)樵诨谶B續(xù)介質(zhì)力學(xué)的有限元分析中，樁端并不能真正發(fā)生刺入土體的變形，在樁側(cè)面與樁底面交接點(diǎn)樁和土有脫開的趨勢(shì)，因此圖10中接近樁底處的樁側(cè)摩阻力會(huì)出現(xiàn)急劇減小到0的現(xiàn)象。經(jīng)計(jì)算得到不同樁長(zhǎng)下路基的穩(wěn)定性系數(shù)和樁頭水平位移如表2所示，由表2可得：隨著樁長(zhǎng)的增加，穩(wěn)定性系數(shù)變大，樁頭水平位移減小，路基穩(wěn)定性提高。

圖10 不同樁長(zhǎng)樁側(cè)摩阻力隨深度變化曲線圖

表2 不同樁長(zhǎng)的穩(wěn)定性系數(shù)和樁頂水平位移

5.2 樁徑

設(shè)樁徑為400、500、600 mm，得到不同樁徑下的樁軸力和樁側(cè)摩阻力變化如圖11、12所示。

圖11 不同樁徑下軸力隨樁深變化曲線圖

由圖11可得：樁入土后，樁軸力隨樁深度的增加而減小，樁徑越大，樁軸力減小得越快，樁徑由400 mm增加到600 mm，樁底的軸力值減小了約6.26%，即隨著樁徑增大，樁土間相互作用越充分，承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)傳遞的荷載越多。由圖12可得：隨著樁徑增大，側(cè)摩阻力變大，說(shuō)明樁徑越大樁側(cè)摩阻力發(fā)揮得越充分。不同樁徑下穩(wěn)定性系數(shù)和樁頭水平位移如表3所示，由表3可知：隨著樁徑的增大，穩(wěn)定性系數(shù)增加，樁頭水平位移減小，路基的穩(wěn)定性得到了提高。

圖12 不同樁徑下樁側(cè)摩阻力隨樁深變化曲線圖

表3 不同樁徑下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)和樁頂水平位移

5.3 摩擦系數(shù)

為研究摩擦系數(shù)對(duì)路基穩(wěn)定性的影響情況，在Abaqus中將接觸屬性中的摩擦系數(shù)μ設(shè)為0.2、0.3、0.4。在樁頂分級(jí)施加荷載，得到樁的荷載-位移曲線如圖13所示。

圖13 不同摩擦系數(shù)下樁的荷載-沉降曲線

由圖13可知：摩擦系數(shù)μ從0.2增加到0.4，樁的屈服荷載增加約1倍，說(shuō)明提高摩擦系數(shù)可以顯著增加樁的極限承載力。不同摩擦系數(shù)下樁軸力及樁側(cè)摩阻力隨樁深變化曲線如圖14、15所示。

圖14 不同摩擦系數(shù)下樁身軸力隨深度變化曲線

圖15 不同摩擦系數(shù)下樁側(cè)摩阻力隨深度變化曲線

由圖14、15可見(jiàn)：隨著摩擦系數(shù)的增大，樁軸力與樁側(cè)摩阻力變化的速度均增大，摩擦系數(shù)由0.2增加到0.4，樁底的軸力減小了約14.2%，說(shuō)明摩擦系數(shù)越大，通過(guò)樁土間相互作用承擔(dān)的荷載就越多，所以樁軸力越小，樁側(cè)摩阻力越大。綜合可知，摩擦系數(shù)增大，樁的極限荷載增大，通過(guò)樁土間相互作用承載的上部荷載增多，從而使路基的穩(wěn)定性得到提高。

6 結(jié)論

針對(duì)裝配式組合公路加寬結(jié)構(gòu)，利用Abaqus對(duì)路基的力學(xué)性能進(jìn)行了研究，得出以下結(jié)論：

(1) 采用裝配式組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行公路加寬對(duì)提高路基穩(wěn)定性系數(shù)效果明顯。加寬結(jié)構(gòu)下部預(yù)制樁插入土中后起到了抗滑樁的作用，使路基穩(wěn)定性系數(shù)由加寬前的1.32提高到1.58。因此，對(duì)于高陡邊坡采用傳統(tǒng)路基土加寬方法帶來(lái)的邊坡滑移、失穩(wěn)等病害，可考慮采用裝配式組合結(jié)構(gòu)的加寬方案。

(2) 加寬結(jié)構(gòu)中位于坡上樁比坡下樁需要更大的單樁承載力。對(duì)比路基邊坡同側(cè)的坡上和坡下樁的受力情況得到：由于坡上樁承受著來(lái)自坡土體的推力作用，樁身剪力值大范圍內(nèi)均比坡下樁大，水平位移、豎向位移最大值較坡底樁增大20.2%和18.4%，因此，對(duì)于坡上樁，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)增大其單樁承載力。

(3) 增大樁長(zhǎng)、樁徑、提高樁與土間的摩擦系數(shù)可有效增大預(yù)制樁的豎向承載力，其中增大樁長(zhǎng)產(chǎn)生的作用最明顯，同時(shí)，增大樁長(zhǎng)、樁徑使得路基的穩(wěn)定性得到提高。因此，在進(jìn)行裝配式組合公路加寬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，在滿足經(jīng)濟(jì)性的條件下，可適當(dāng)增大預(yù)制樁的樁長(zhǎng)與樁徑，并選擇摩擦系數(shù)較大的土層作為持力層，其中樁長(zhǎng)是影響樁承載力和路基穩(wěn)定性的主要因素。