基于結(jié)構(gòu)巖土共同作用的道路懸臂結(jié)構(gòu)計(jì)算方法研究

劉凱 胡雷嵩 劉曉飛 劉騰

摘 要：文章基于有限元分析的計(jì)算方法，對(duì)基于結(jié)構(gòu)—巖土共同作用的道路懸臂結(jié)構(gòu)的半橋式路基進(jìn)行了仿真計(jì)算分析，與傳統(tǒng)的挖高填低路基結(jié)構(gòu)進(jìn)行了比較。在個(gè)案支持下，相同規(guī)模的挖高填低基礎(chǔ)的有限元計(jì)算分析結(jié)果，其穩(wěn)定性、可靠性、安全性均不及半橋式基礎(chǔ)。在個(gè)案的工程設(shè)計(jì)方案對(duì)比階段，雖然半橋式結(jié)構(gòu)在土石方排出、預(yù)制件運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程存在一定的技術(shù)制約，但單純從結(jié)構(gòu)計(jì)算方面，半橋式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)較為明顯。文章認(rèn)為，如果克服相關(guān)技術(shù)的制約，半橋式結(jié)構(gòu)在未來(lái)山區(qū)道路施工過(guò)程中有推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)力學(xué);巖土力學(xué);有限元分析;半橋式路基;方案比較

中圖分類號(hào)：P632 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）09-0184-05

Study on Calculation Method of Cantilever Structure of Road Based on Structure Rock Soil Interaction

Liu Kai1， Hu Leisong2， Liu Xiaofei2， Liu Teng2

（1. Beijing Xinhangcheng Development and Construction Co.， Ltd.， Beijing 102600， China; 2. China Construction Civil Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100071， China）

Abstract：In this paper， based on the calculation method of finite element method， the half bridge subgrade of the cantilever structure of the road based on the structure rock soil interaction is simulated and analyzed， and compared with the traditional subgrade structure of digging high and filling low. With the support of individual cases， the finite element calculation and analysis results of the same scale of digging high and filling low foundations are not as stable， reliable and safe as half-bridge foundations. In the comparison phase of the engineering design plan of the individual case， although the half bridge structure has some technical constraints in the process of earthwork discharge and prefabricated parts transportation， the advantages of the half bridge structure are obvious only from the aspect of structural calculation. In this paper， if customer service technology constraints， half bridge structure in the future mountain road construction process has the promotion value.

Key words：structural mechanics; geotechnical mechanics; finite element analysis; half bridge subgrade; scheme comparison

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)道路基建向著山區(qū)陡峭坡地深度開發(fā)，山區(qū)陡峭坡地的道路寬度逐漸增大，高速公路等設(shè)施在山區(qū)陡峭坡地地區(qū)也逐漸普及，而早期挖高填低式的陡峭坡地路基實(shí)現(xiàn)模式，因?yàn)槭艿筋l繁發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害影響，逐漸在技術(shù)上被淘汰，而懸臂結(jié)構(gòu)的山區(qū)陡峭坡地大跨度路基結(jié)構(gòu)，逐漸成為當(dāng)前新建、改建大坡度大跨度山區(qū)道路的主要實(shí)現(xiàn)模式。游濤（2018）研究了在邊坡格構(gòu)基礎(chǔ)上的道路懸臂結(jié)構(gòu)的空間力學(xué)行為[1]。周志祥（2011）等從個(gè)案出發(fā)研究了山區(qū)道路拓寬工程中的半橋邊坡復(fù)合路基結(jié)構(gòu)的施工方案[2]。游濤（2011）等從個(gè)案出發(fā)研究了邊坡格構(gòu)基礎(chǔ)上的懸臂結(jié)構(gòu)的山區(qū)道路施工技術(shù)方案[3]。

在山區(qū)道路的懸臂結(jié)構(gòu)相關(guān)方案研究中，有限元分析計(jì)算驗(yàn)證方法，是研究相關(guān)方案可行性的重要工具和重要途徑。許旭堂（2019）等基于有限元分析方法研究了山區(qū)道路邊坡的動(dòng)載荷擾動(dòng)表達(dá)及道路路基的力學(xué)響應(yīng)特征[4]。崔學(xué)常（2013）從個(gè)案出發(fā)使用有限元分析方法對(duì)半橋邊坡復(fù)合結(jié)構(gòu)的空間力學(xué)行為特征進(jìn)行了分析[5]。

相關(guān)研究中，懸臂梁式山區(qū)道路拓寬路基較基于樁基擋土墻的挖高填低方案更加穩(wěn)定可靠，結(jié)合綜合施工方案，且在當(dāng)前橋梁工程相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)和力學(xué)特征數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)積累的條件下，使用結(jié)構(gòu)--巖土共同作用方案設(shè)計(jì)道路懸臂結(jié)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)山區(qū)陡峭坡地路基的大跨度路基施工過(guò)程，逐漸成為較成熟技術(shù)。本文將從個(gè)案分析出發(fā)，針對(duì)同一個(gè)案的路基設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析，研究結(jié)構(gòu)--巖土共同作用方案設(shè)計(jì)道路懸臂結(jié)構(gòu)的實(shí)際工程意義。

1 個(gè)案基本情況

某高速公路連接線工程，位于鄂東山區(qū)大別山西段，全長(zhǎng)126km，橋隧比為0.67，施工地質(zhì)環(huán)境較為復(fù)雜，其中陡峭坡地路基長(zhǎng)度27km，占全部設(shè)計(jì)路段長(zhǎng)度的21.4%，如果在此坡地路基使用半橋結(jié)構(gòu)，那么施工段的總橋隧比將提升到0.89。所以，在設(shè)計(jì)論證階段，該段路基的施工方案在傳統(tǒng)挖高填低方案和半橋方案之間，進(jìn)行了較為激烈的討論。通過(guò)有限元分析，該項(xiàng)目的方案比較數(shù)據(jù)在本文中進(jìn)行詳細(xì)論述。

該區(qū)域的基本道路路基情況如圖1所示。

圖1中，該個(gè)案高速公路采用雙向4車道+應(yīng)急車道的布局模式，行車車道寬度為3.5m，應(yīng)急車道寬度為2.5m，道路中間隔離帶和路肩隔離帶的寬度均為2.5m。所以，路基設(shè)計(jì)總寬度為26.5m，其中設(shè)計(jì)巖土路基寬度為10.8m，墊高土方路基或半橋路基的寬度為15.7m。因?yàn)樵搮^(qū)域自然邊坡的平均斜率為18.5°，所以，如果采用挖高填低式的施工方案，且高地突破坡度設(shè)計(jì)為72°，其挖高部分擋土墻高度將超過(guò)4.2m，墊高部分最大墊高高度將超過(guò)4.6m，土方控制較為困難。挖高填低方案詳見圖1。

如果采用半橋式路基結(jié)構(gòu)，半橋粱間距25m，則需要布置1080個(gè)半橋橋樁，半橋施工量較大。其半橋結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中，路基寬度依然為26.5m，其中半橋結(jié)構(gòu)寬度受到半橋結(jié)構(gòu)特征影響，略大于填低路基的寬度，達(dá)到17.2m，其中內(nèi)側(cè)1.5m橋板壓載在巖土結(jié)構(gòu)上。其具體結(jié)構(gòu)將在有限元建模分析中給與分析。橋墩部分，將布置3排2.5m，錨桿土釘將橋墩與基巖充分固定，以保持半橋橋墩的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

不論是上述挖高填低方案（圖1）還是半橋結(jié)構(gòu)方案（圖2），圖中所示的原始邊坡，均為充分剝離強(qiáng)風(fēng)化層后的邊坡，邊坡基巖為穩(wěn)定玄武巖巖層，巖層含水量小，無(wú)第四系覆蓋，破碎帶與風(fēng)化層未發(fā)育。

2 有限元模型的搭建

有限元模型的搭建過(guò)程中，構(gòu)建1.75m×1.75m×1.75m的有限元單元格，對(duì)巖層路基部分、半橋橋墩部分、墊層部分進(jìn)行分別的有限元建模。其中：

圖3為巖層路基部分的模型斷面，材質(zhì)為弱風(fēng)化玄武巖，其中抗壓強(qiáng)度（E）為36.4MPa，泊松比（ν）為0.38，比重（ρ）為2330（kg/m3）。

圖4為懸臂梁（半橋橋墩）模型斷面，材質(zhì)為鋼筋強(qiáng)化混凝土，其中抗壓強(qiáng)度（E）為53.6MPa，泊松比（ν）為0.22，比重（ρ）為2580（kg/m3）。

圖5為填土層及擋土墻模型斷面。擋土墻材質(zhì)為鋼筋強(qiáng)化混凝土，其中抗壓強(qiáng)度（E）為53.6MPa，泊松比（ν）為0.22，比重（ρ）為2580（kg/m3）。填土層為經(jīng)過(guò)充分夯實(shí)的礫巖三合土，其中抗壓強(qiáng)度（E）為22.3MPa，泊松比（ν）為0.32，比重（ρ）為1810（kg/m3）。

3 動(dòng)載荷條件下彈性應(yīng)變及抗壓能力分析

本文個(gè)案的預(yù)計(jì)通車能力為1300輛/d每車道，模型測(cè)試中假定每車道通車量：2.0t車輛通過(guò)量為850輛/d（最高密度每小時(shí)通過(guò)80輛），7.0t車輛通過(guò)量為230輛/d（最高密度每小時(shí)通過(guò)20輛），15.0t車輛通過(guò)量為220輛/d（最高密度每小時(shí)通過(guò)20輛），其中外側(cè)車道主要載荷作用于半橋或墊高部分兩條車道中線，內(nèi)側(cè)車道主要載荷作用于巖土路基內(nèi)側(cè)整平部分兩條車道中線，重車主要作用于行車道中線，小車約6成主要作用于超車道中線4成主要作用于行車道中線。重車行車速度為90～100km/h，小車行車速度為100～120km/h。

3.1 路基部分的有限元模擬仿真

此條件下進(jìn)行彈性應(yīng)變和抗壓能力分析，其中巖土基礎(chǔ)部分應(yīng)變分析如圖6及圖7所示。

圖6中，挖高填低方案的路基部分，內(nèi)側(cè)路基外側(cè)與填土層結(jié)合部分，90d以上持續(xù)動(dòng)壓沖擊下，可能出現(xiàn)超過(guò)200mm應(yīng)變，屬于強(qiáng)應(yīng)變區(qū)域。該區(qū)域厚度約3.5m，寬度約14m，屬于較高風(fēng)險(xiǎn)值。該區(qū)域需進(jìn)行加強(qiáng)錨桿、錨索、注漿等綜合方案加強(qiáng)邊坡護(hù)理配合密集站樁加強(qiáng)護(hù)理，在特定邊坡護(hù)理模式下，可以保證該區(qū)域的理論長(zhǎng)期應(yīng)變被控制在90mm以內(nèi)。

圖7中，采用半橋方案的路基部分，最大應(yīng)變出現(xiàn)在路基錨固區(qū)的下部，90d最大應(yīng)變值為75mm，該應(yīng)變響應(yīng)模式基本無(wú)需進(jìn)行額外路基加強(qiáng)護(hù)理。

可見，半橋方案較挖高填低方案，可能給路基部分帶來(lái)的壓力更小。其主要原因在于因?yàn)榘霕驑蚨盏恼w性充分分散了車輛動(dòng)載荷對(duì)路基的沖擊作用，加之半橋橋墩的底部錨桿向巖層深部的應(yīng)力分散作用，導(dǎo)致半橋的路基控制更加積極。

3.2 加寬部分的有限元模擬仿真

此條件下進(jìn)行彈性應(yīng)變和抗壓能力分析，其中半橋和墊高部分應(yīng)變分析如圖8及圖9所示。

圖8中，半橋橋墩部分的主要應(yīng)變集中在地梁和頂梁的梁端部位，但總應(yīng)變小于30mm，均為彈性應(yīng)變，無(wú)蠕性應(yīng)變可能。產(chǎn)生這一結(jié)果的主要原因是鋼筋混凝土梁本身的彈性模量較高，抗壓強(qiáng)度較高，且其整體的應(yīng)力分散作用較強(qiáng)。

圖9中，墊高部分的主要應(yīng)變集中在墊高路基的兩側(cè)，其中外側(cè)遠(yuǎn)大于內(nèi)側(cè)。外側(cè)出現(xiàn)一個(gè)90d長(zhǎng)期應(yīng)變大于200mm的區(qū)域，其厚度約2.6m，寬度約3.8m，如不能進(jìn)行有效的邊坡護(hù)理措施，該區(qū)域發(fā)生塌方的可能性較大。通過(guò)錨桿、注漿等聯(lián)合加強(qiáng)模式，同時(shí)在外側(cè)擋土墻以上邊坡進(jìn)行砌碹被動(dòng)支護(hù)，可以將該90d應(yīng)變控制在75mm以內(nèi)。

4 有限元分析的結(jié)果討論

4.1 路基塌方可能性

上述分析中，采用挖高填低方案時(shí)，基巖部分和墊高部分，如無(wú)特殊加強(qiáng)措施，90d內(nèi)都可能面臨超過(guò)200mm的形變。此形變量可能給路基帶來(lái)塌方可能。而半橋方案下，路基部分的最大形變約為75mm，半橋部分的最大形變約為30mm，該形變屬于可控形變。即在半橋模式下，路基安全性更高，如表1所示。

前文分析中，為降低挖高填低方案的形變量，減小其塌方可能，需要在強(qiáng)應(yīng)變區(qū)域施行錨桿、注漿、站樁等強(qiáng)化支持邊坡護(hù)理措施，這些措施帶來(lái)的施工成本，較使用半橋式懸臂梁道路的施工成本相比，并無(wú)太大差異。且因?yàn)橥诟咛畹头桨笌?lái)的工程質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)和塌方風(fēng)險(xiǎn)本身影響，半橋方案在各方面優(yōu)于挖高填低方案。

4.2 土石方運(yùn)輸工程影響

傳統(tǒng)的挖高填低方案之所以長(zhǎng)期以來(lái)被山區(qū)道路陡邊坡路基施工廣泛應(yīng)用，其核心原因是挖高填低方案的土石方本地利用率較高。如采用半橋方案，則需要在施工區(qū)域內(nèi)規(guī)劃大量面積用于挖高部分的排出土石方的堆放。該土石方排放工程將給施工循環(huán)帶來(lái)巨大影響。

如果不采用半橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行道路建設(shè)，而是在坡度較陡區(qū)域采用完全橋結(jié)構(gòu)，可以節(jié)約部分土石方量，但該方案會(huì)導(dǎo)致山區(qū)道路施工的橋隧比進(jìn)一步增大。因?yàn)槿珮蛄航Y(jié)構(gòu)的施工成本遠(yuǎn)大于半橋結(jié)構(gòu)，半橋結(jié)構(gòu)的施工成本遠(yuǎn)大于挖高填低結(jié)構(gòu)，所以，如果考慮到土石方排放壓力，采用全橋結(jié)構(gòu)代替半橋結(jié)構(gòu)，會(huì)使得工程預(yù)算單價(jià)陡增。且在半橋結(jié)構(gòu)施工中，需要充分剝離半橋生根基巖部分的中度和重度風(fēng)化層，也會(huì)帶來(lái)一定程度的土石方運(yùn)輸壓力增加。

早期山區(qū)道路施工中，為減輕邊坡維護(hù)壓力，可能采用分段式的道路路基施工方法，即將兩車道距離拉大，分別進(jìn)行路基建設(shè)，參考這一模式，可以采用分段式的道路半橋路基施工方法，通過(guò)構(gòu)建兩個(gè)半橋的方式拉大兩車道間距，在不同高度上構(gòu)建半橋，從而避免了路基施工的土石方運(yùn)量。如圖10所示。

圖10（上）為傳統(tǒng)施工模式下通過(guò)分別構(gòu)建兩車道挖高填低路基的方式，減少開挖量和墊高量，從而保持路基穩(wěn)定性的施工方案。圖10（下）為參照此分段式路基的施工方式，通過(guò)構(gòu)建兩個(gè)分段式半橋充分避免挖高部分，實(shí)現(xiàn)道路路基的全半橋施工模式。文章之所以沒(méi)有采用雙半橋零開挖的施工模式，是因?yàn)樵谟懻搩商追桨笗r(shí)，道路的線路規(guī)劃工作已經(jīng)基本完成，但通過(guò)本文分析，可以在后續(xù)施工過(guò)程中通過(guò)雙半橋零開挖的模式，減少施工的土石方運(yùn)量，進(jìn)一步優(yōu)化施工過(guò)程，提升施工效率。

4.3 半橋道路基礎(chǔ)的實(shí)際價(jià)值

半橋式道路基礎(chǔ)是近10年逐漸興起，近3年逐漸普及的一種新興的山區(qū)道路陡邊坡實(shí)現(xiàn)模式，該模式較大橋隧比的施工方案成本更低，較傳統(tǒng)的挖高填低方案穩(wěn)定性更好，具有較強(qiáng)的推廣價(jià)值。但在本文分析中，也發(fā)現(xiàn)了半橋道路施工過(guò)程中的土石方運(yùn)輸壓力等諸多現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，同時(shí)，半橋的橋墩、橋梁的預(yù)制工作和前期養(yǎng)護(hù)工作也需要專用的場(chǎng)地，構(gòu)件需要經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)的運(yùn)輸路線實(shí)現(xiàn)進(jìn)出場(chǎng)。同時(shí)，橋梁部分的最大構(gòu)件長(zhǎng)度達(dá)到25m，橋墩部分的橫向尺寸達(dá)到15.7m，縱向尺寸達(dá)到7.3m，運(yùn)輸過(guò)程無(wú)法使用常規(guī)車輛完成，且屬于超高、超長(zhǎng)運(yùn)輸。雖然國(guó)內(nèi)相關(guān)特種運(yùn)輸車輛完全可以支持該運(yùn)輸需求，但必須保證運(yùn)輸線路不通過(guò)公用道路，在施工場(chǎng)地內(nèi)構(gòu)建專用運(yùn)輸線路，這也給施工過(guò)程帶來(lái)較大壓力。

所以，半橋道路可以在容許成本下實(shí)現(xiàn)陡邊坡山區(qū)道路基礎(chǔ)的工程實(shí)現(xiàn)，但在運(yùn)輸方面，需要較大的土石方運(yùn)輸量和專用預(yù)制構(gòu)建的運(yùn)輸臨時(shí)道路，相關(guān)構(gòu)建的吊裝過(guò)程也需要特殊機(jī)械支持。半橋道路路基的施工屬于全新的道路施工技術(shù)，諸多相關(guān)技術(shù)需要在后續(xù)研究中逐一突破并保持持續(xù)革新。

5 結(jié)語(yǔ)

基于結(jié)構(gòu)—巖土共同作用的道路懸臂結(jié)構(gòu)是一種山區(qū)道路陡邊坡條件下的新興施工技術(shù)，在本文基于有限元分析的相關(guān)計(jì)算過(guò)程中，仿真結(jié)果表明該方案的穩(wěn)定性、可靠性、安全性均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的挖高填低模式，且從工程預(yù)算造假角度分析，該模式的成本遠(yuǎn)小于大橋隧比的施工模式?；诮Y(jié)構(gòu)—巖土共同作用的道路懸臂結(jié)構(gòu)半橋式路基，如果克服相關(guān)技術(shù)的制約，在未來(lái)山區(qū)道路施工過(guò)程中有推廣價(jià)值。

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