高速公路拓寬變形特征分析

希爾良

摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地區(qū)間的交流越來越頻繁，由此給公路交通帶來了一定的壓力，傳統(tǒng)的高速公路需要進(jìn)一步拓寬改建。本文通過對(duì)實(shí)際案例的分析，闡述不同的新路基處理措施對(duì)拓寬工程道路形變的影響，希望可以給相關(guān)工程提供數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：高速公路;變形分析;軟基處理;

確保新老路基形變保持協(xié)調(diào)是解決軟土地基上對(duì)高速公路加寬的主要研究核心。常用的應(yīng)對(duì)措施主要從路面的處理、路基連接部位的治理以及地基的整治三個(gè)方面入手。近些年我國大力修整了多條高速公路，因此在高速公路表面與路基連接部位的處理具有豐富的處理經(jīng)驗(yàn)。但對(duì)于基于軟土基的處理上方法相對(duì)單一，隨著未來我國經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展，需要拓寬的高速公路將越來越多，而采取正確的地基處理形式對(duì)于加寬工程具有重要意義。故此，本次以思瀾高速公路拓寬為案例，對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

一、有限元建模

（一）工程概況

以思瀾高速公路為例，該高速公路為雙向四車道，頂面寬度26米，為緩解巨大的車流量，將在原路兩側(cè)均加寬8.25米。計(jì)算所取的典型斷面路基高度4米，新老路邊坡為1：1.5。加寬路基為4層施工，每層施工時(shí)間設(shè)定為30天。新老路基底部為50cm的砂墊層，在加寬之前，將老路的坡度降至1：0.5，根據(jù)計(jì)算，橫向取50米。結(jié)構(gòu)中左右邊界橫向固定、底部橫向和豎向固定。地下水位線位于地表下2.0米處，排水邊界位于砂墊層底部。軟基土體由上到下分別為厚2.7米的粉質(zhì)黏土、厚8.5米的淤泥質(zhì)黏土、厚2.9米的淤泥質(zhì)粉土和后0.9米的夾砂淤泥質(zhì)黏土。其計(jì)算模型，如圖1。

在計(jì)算模型中，砂墊層、軟基土層和路基填土均為Duncan-Chang模型，根據(jù)典型斷面所得的計(jì)算參數(shù)如表1所示。輕質(zhì)填料選用線彈性模型，彈性模量E為3.5Mpa，泊松比為0.1，重度γ為10kN/m3，滲透系數(shù)kx=ky=4.2×10-10cm/s。

（二）計(jì)算工況

經(jīng)加寬工程試驗(yàn)，計(jì)算分析新老路軟基不同處理方式共12種工況。其計(jì)算工況如表2所示。

二、計(jì)算結(jié)果分析

（一）新老路基工后沉降變形

經(jīng)計(jì)算結(jié)構(gòu)顯示，老路在拓寬前已趨于穩(wěn)定狀態(tài)，對(duì)應(yīng)的軟基土體基本已完全固結(jié)，與老路中心線距離越大，土體的強(qiáng)度越低。為此，在新路基施工，軟基土體強(qiáng)度的分布不均是造成新老路基間沉降差異的主要影響因素。此外，老路基經(jīng)自重和車輛荷載作用后，強(qiáng)度增加，壓縮性減小，壓縮性較高的新路基會(huì)加大沉降差距。顯現(xiàn)在路面的差異沉降則會(huì)改變道路的橫坡比，繼而影響到車輛的行駛舒適度。

（二）施工期老路基沉降變形

高速公路拓寬過程中，老路依舊是承擔(dān)交通荷載的主體。為此，在控制新老路基工后沉降的同時(shí)，還應(yīng)重視采用不同地基處理方式在拓寬施工期對(duì)老路造成的干擾。

（三）水平位移

在拓寬荷載作用的影響下，新路基下軟基北部形成兩個(gè)方向相反的水平位移集中區(qū)。老路軟基移向道路中心，新路軟基淺層在新路基的進(jìn)入移向道路中心，軟基深層則移向道路外側(cè)。如果能控制軟基的橫向流動(dòng)，則能有效的減少新路基荷載對(duì)老路造成的干擾。同時(shí)，結(jié)合軟基內(nèi)水平位移中區(qū)埋深情況，新路基右側(cè)坡腳的隔離墻需具有一定的深度，左側(cè)隔離墻的深度可稍低些。

（四）老路穩(wěn)定狀況

老路的固結(jié)狀態(tài)隨著時(shí)間推移不斷穩(wěn)定，工后的沉降逐漸減少，當(dāng)老路的固結(jié)度超過70%時(shí)，則對(duì)新老路基的工后沉降影響較小。且經(jīng)研究表明，新路采用復(fù)合地基時(shí)老路施工期產(chǎn)生的沉降變形以及受固結(jié)狀態(tài)的影響顯著降低。針對(duì)采用不同地基處理方式的施工期老路，其穩(wěn)定狀態(tài)坡差的影響相同。老路固結(jié)度越大，施工期老路坡差越小，對(duì)于超過70%固結(jié)度的老路，其坡差對(duì)固結(jié)度的影響顯著降低。此外，不同固結(jié)狀態(tài)下的新老路基工后的坡差不大，普遍低于0.2%。因此，老路的固結(jié)度對(duì)施工期老路存在較大的影響，對(duì)新老路基則影響不大，且，當(dāng)超過70%固結(jié)度時(shí)，老路固結(jié)狀態(tài)的影響減少。

（五）填筑速度

通過分析DD工況下新路基1、2、4次填筑時(shí)新老路基工后沉降和拓寬施工期老路沉降發(fā)現(xiàn)：路基分層建筑能有效減少新老路基工后沉降，三類填筑方式的最大沉降值分別為20cm、18.5cm和16.4cm。同時(shí)，分層填筑也有效降低了老路中心的隆起量以及坡度差。因此，新路基采用分層填筑的方式能有效的減少軟基內(nèi)部孔壓，增加強(qiáng)度，減少新老路工后沉降，避免干擾施工期老路。

（六）軟基處理方式

有限元計(jì)算中心塑料排水板與相同直徑的砂井相同計(jì)算，塑料板的施工長(zhǎng)度約為10米，其直徑為50mm。常規(guī)使用的計(jì)算是按照李豪的根據(jù)固結(jié)度等效為原則，將用砂井加固的地基簡(jiǎn)化為滲透系數(shù)較大的均質(zhì)地基，繼而算出的等效滲透系數(shù)能用于分析平面或三維的有限元。

拓寬工程中，塑料排水板呈三角形分布，間距設(shè)定為1.5米，在軟土地基中埋深15米，塑料排水板后砂井通水能力 ，涂抹區(qū)直徑為0.3米，推算出軟土地基排水板埋深區(qū)域內(nèi)各層土體等效豎向滲透系數(shù)為7.366、18.934、18.445和19.169。同時(shí)，在有限元模擬時(shí)，將粉噴樁復(fù)合地基簡(jiǎn)化成平面應(yīng)變模型，其對(duì)應(yīng)的樁身直徑和樁間距不變，根據(jù)降低樁身強(qiáng)度和滲透系數(shù)來進(jìn)行計(jì)算。

拓寬工程中，粉噴樁呈正方形分布，樁間距為1.3米，直徑為0.5米，樁長(zhǎng)15.5米，進(jìn)入持力層0.5米，彈性模量為200Mpa，滲透系數(shù)為 。簡(jiǎn)化后的彈性模量為70Mpa，滲透系數(shù)為 。

三、結(jié)論

利用有限元方式對(duì)高速公路拓寬工程中新老路軟基采用不同方式過程中的沉降量和水平位移等相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了模擬。其結(jié)論如下：

（1）新老路路基拓寬后沉降分布曲線為“馬鞍形”，老路基中心位置沉降值最下，新路基中心位置沉降值最大。因此，拓寬工程后的沉降控制點(diǎn)為新路基中心位置。

（2）老路基經(jīng)新路基的拖拽作用后使得老路表面在施工期產(chǎn)生的沉降呈現(xiàn)為反“彎沉盆”，甚至出現(xiàn)開裂的現(xiàn)象。在施工期間，老路依舊承擔(dān)交通荷載，在拓寬過程中，需在控制新老路基施工過程中產(chǎn)生的沉降的同時(shí)，還需利用合理的地基處理方式來減少加寬施工對(duì)老路造成的影響。這也是拓寬工程與新建公路的差異。

（3）老路軟基處理和新路軟基排水固結(jié)處理對(duì)老路都對(duì)造成較大的干擾，采用兩者相結(jié)合的處理方式所對(duì)應(yīng)的煩擾最小。為此，在拓寬工程中應(yīng)首選利用復(fù)合地基。

（4）采用不同的地基處理方式所對(duì)應(yīng)的新老路基在工后沉降坡度差異不大，而在施工期老路的坡度存在較大的變化。因此，拓寬工程中，需重點(diǎn)控制新老路基工后沉降等問題。

（5）地基內(nèi)部存在反方向的水平位移集中部位，老路軟基移向道路中心，新路軟基移向道路外側(cè)，此類移動(dòng)現(xiàn)象是采用應(yīng)力隔離墻減少新路基荷載對(duì)老路造成影響的理論基礎(chǔ)。另外，新路基左側(cè)坡腳隔離墻的長(zhǎng)度可短于右側(cè)坡腳。

（6）老路固結(jié)狀態(tài)對(duì)施工期老路存在較大的影響，但對(duì)新老路基工后的變形影響不大。此外，當(dāng)新路利用復(fù)合地基處理方式時(shí)對(duì)老路變形的影響不大。新路基采用分層填筑的方式能有效減少新老路基工后沉降的同時(shí)較少對(duì)施工期老路的干擾。

四、結(jié)語

研究表明，采用塑料排水板對(duì)施工期的老路干擾較為嚴(yán)重，而新路基采用復(fù)合地基能有效降低工后老路變形。此外，在新路采用復(fù)合地基的情況下，老路固結(jié)狀態(tài)對(duì)施工期老路沉降變形的影響不大。

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