高速公路拓寬工程中路基施工方案比選研究

胡 松

(廣西桂龍高速公路有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，交通流量也越來越大，拓寬改造作為解決交通壓力的有效方法之一，逐漸在高速公路改擴建工程中得到廣泛應用，并且取得了良好效果[1-2]。但在早期擴建的路基工程中，由于設(shè)計者對拓寬方案的研究不足，導致新舊路基出現(xiàn)較大沉降差異和路面開裂等病害，因此，如何有效提升拓寬路基施工質(zhì)量對于高速公路的發(fā)展具有重要意義[3-4]。

目前，國內(nèi)外學者對高速公路改擴建工程展開了大量研究，如李剛等[5]依托長株高速公路改擴建工程，應用有限差分法建立了數(shù)值計算模型，研究了拓寬寬度、填方高度、彈性模量和壓縮模量4種影響因素下新舊路基不均勻沉降的變化規(guī)律。張軍等[6]以全風化花崗巖區(qū)軟土地段的拓寬路基為研究對象，發(fā)現(xiàn)開挖臺階、鋪設(shè)土工格柵以及對軟土地基進行打樁加固處理能有效減小改擴建路基沉降且控制側(cè)向變形和差異沉降。徐全亮等[7]為研究濱海軟土地區(qū)公路拓寬新舊路基差異沉降及附加應力變化，建立了高速公路軟土路基雙側(cè)拓寬計算模型，模擬分析了拓寬前后新舊路基差異沉降、水平位移及結(jié)構(gòu)應力的變化規(guī)律。王晨竹[8]發(fā)現(xiàn)在工程實踐中，通過采用路基填筑材料改良土體，能夠在一定程度上有效控制拓寬路基的差異化沉降，而采用設(shè)置基底墊層來降低路基的差異化沉降并不能取得很好的效果。以上研究主要集中在高速公路擴建工程參數(shù)設(shè)計和差異沉降處治方面，而關(guān)于高速公路拓寬路基施工方面的研究還有待進一步深入?；诖?，本文以某高速公路改擴建工程為例，提出了兩種可行的拓寬路基施工方案，運用軟件建立拓寬路基有限元模型，并對比分析了這兩種施工方案的拓寬路基變形及受力變化規(guī)律。

1 工程概況

以某高速公路改擴建工程為例，該線路全長18.9 km，運營時間約6年，建設(shè)標準為雙向四車道，設(shè)計速度為100 km/h，原路面設(shè)計寬度為26 m，路基坡度為1∶1.5。近年來，由于交通流量的大幅增長，以及重載車輛的快速發(fā)展，導致原路基結(jié)構(gòu)和車道的設(shè)計標準已無法滿足持續(xù)增長的通行需求，為解決這一問題，計劃對該路段進行拓寬改造。拓寬后建設(shè)標準由雙向四車道增至雙向六車道，設(shè)計速度由100 km/h增至120 km/h，路面寬度由26 m增至34 m，路基高度為6 m，路基坡度保持不變。根據(jù)地質(zhì)勘測結(jié)果顯示，該路段路基地下水主要表現(xiàn)為潛水，深度在12～28 m，路基地質(zhì)以亞黏土為主，土質(zhì)表現(xiàn)較為均勻，厚度在6～12 m，部分路段存在弱濕陷性黃土，厚度在1.1～4.2 m。

2 施工方案設(shè)計

通過分析地形勘測結(jié)果，該高速公路拓寬工程可采用兩種可行性方案。(1)方案1：路基單側(cè)拓寬，對單側(cè)路基頂部和底部同時拓寬8 m寬度；(2)方案2：路基雙側(cè)同時拓寬，對兩側(cè)路基頂部和底部同時拓寬4 m寬度。兩種拓寬方案的路基填筑施工均采用分層填筑法，填筑分為5層，每層填筑高度為1.2 m，路基填筑施工過程中臺階開挖高度≤30 cm，寬度≥45 cm，在新舊路基結(jié)構(gòu)部位鋪設(shè)3層土工布，寬度≤4 m。兩種路基拓寬施工方案示意圖如圖1所示。

圖1 不同路基拓寬施工方案示意圖

3 有限元模型

運用Midas Civil軟件分別建立單側(cè)拓寬和雙側(cè)拓寬路基有限元模型，模型中采用四邊形單元對拓寬路基進行網(wǎng)格劃分，新舊路基采用比較密集的網(wǎng)格進行處理，共包含372個單元和427個節(jié)點。拓寬路基模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 拓寬路基計算模型圖

為保證計算結(jié)果的精準性，模型計算高度取30 m，寬度取50 m，新舊路基結(jié)合處采用臺階咬合方式搭接。在計算過程中，路基土和地基土的模擬均采用摩爾-庫侖理想彈塑性本構(gòu)模型，假定土體均為理想彈塑性體，均勻分布且各向同性，路基與各結(jié)構(gòu)界面接觸狀態(tài)為完全連續(xù)，新舊路基結(jié)合處不存在相對脫離和滑移現(xiàn)象，路基按照平面應變問題處理，舊路基采用排水固結(jié)法處理后已完全固結(jié)，不考慮溫度對路基應力分布的作用，路面荷載等效為1 m厚的填土荷載，車輛荷載等效為10 kPa的靜載。在分析過程中邊界條件為：限制沿路基軸向的水平位移，底部邊界進行水平向和豎向的位移約束，兩側(cè)邊界采用豎向位移約束，上部界面為自由界面。模型中表層軟土厚2 m，軟黏土層厚8 m，基巖厚10 m。其土體計算參數(shù)如表1所示。

表1 土體物理計算參數(shù)表

4 結(jié)果與分析

為比較不同施工方案對拓寬路基變形及受力的影響規(guī)律，通過建立單側(cè)拓寬和雙側(cè)拓寬路基分析模型，并針對不同填筑階段拓寬路基的位移、沉降及應力變化規(guī)律進行對比分析。

4.1 水平位移分析

分別計算不同填筑階段拓寬路基的水平位移值，得到兩種施工方案的拓寬路基最大水平位移變化曲線如圖3所示。

圖3 不同施工方案的位移變化曲線圖

根據(jù)圖3可知，隨著拓寬層數(shù)的增加，兩種施工方案的拓寬路基最大水平位移值均呈不斷增大趨勢，其中采用單側(cè)拓寬方案施工的拓寬路基水平位移整體要大于雙側(cè)拓寬方案，說明采用雙側(cè)拓寬方案的拓寬路基水平變形量相對較小。當路基填筑施工至3層時，兩種施工方案的拓寬路基水平位移增長幅度基本一致，但路基填筑由3層施工至5層時，單側(cè)拓寬方案的拓寬路基水平位移增長幅度明顯要大于雙側(cè)拓寬方案。當路基填筑施工完成后，單側(cè)拓寬方案的拓寬路基最終水平位移為5.2 mm，雙側(cè)拓寬方案的拓寬路基最終水平位移為4.1 mm，降低了約21.2%。綜合來看，雙側(cè)拓寬方案對于控制拓寬路基的水平變形效果要明顯優(yōu)于單側(cè)拓寬方案。

4.2 豎向沉降分析

分別計算不同填筑階段拓寬路基的豎向沉降值，得到兩種施工方案的拓寬路基最大沉降值變化曲線如圖4所示。

圖4 不同施工方案的沉降變化曲線圖

根據(jù)圖4可知，隨著拓寬層數(shù)的增加，兩種施工方案的拓寬路基最大豎向沉降值均呈不斷增大的趨勢，其中采用單側(cè)拓寬方案施工的拓寬路基豎向沉降值整體要大于雙側(cè)拓寬方案，說明采用雙側(cè)拓寬方案的拓寬路基豎向沉降值相對較小。當路基填筑施工至3層時，兩種施工方案的拓寬路基豎向沉降值增長幅度基本一致。但路基填筑由3層施工至5層時，單側(cè)拓寬方案的拓寬路基豎向沉降值增長幅度明顯要大于雙側(cè)拓寬方案。當路基填筑施工完成后，單側(cè)拓寬方案的拓寬路基最終豎向沉降值為62.4 mm，雙側(cè)拓寬方案的拓寬路基最終豎向沉降值為53.8 mm，降低了約13.8%。綜合來看，雙側(cè)拓寬方案對于控制拓寬路基不均勻沉降的效果要優(yōu)于單側(cè)拓寬方案。

4.3 豎向應力分析

分別計算不同填筑階段拓寬路基的豎向應力值，得到兩種施工方案的拓寬路基最大應力變化曲線如圖5所示。

圖5 不同施工方案的應力變化曲線圖

根據(jù)圖5可知，隨著拓寬層數(shù)的增加，兩種施工方案的拓寬路基最大豎向應力均呈緩慢增大趨勢，但整體增長趨勢不大，說明兩種施工方案對于拓寬路基豎向應力的影響不大。當路基填筑由1層施工至5層時，單側(cè)拓寬方案的拓寬路基最大豎向應力由151.53 kPa增至152.02 kPa，增幅僅為0.3%，而雙側(cè)拓寬方案的拓寬路基最大豎向應力由148.67 kPa增至149.01 kPa，增幅僅為0.2%，同時兩種施工方案的拓寬路基最終豎向應力值相差不到2%。由此說明，兩種施工方案對于拓寬路基豎向應力的影響非常小，基本可忽略不計。

4.4 剪應力分析

分別計算不同填筑階段拓寬路基的剪應力值，得到兩種施工方案的拓寬路基最大剪應力變化曲線如圖6所示。

根據(jù)圖6可知，采用兩種施工方案的拓寬路基最大剪應力均隨著拓寬層數(shù)的增加而不斷增大，其中采用單側(cè)拓寬方案施工的拓寬路基最大剪應力整體要大于雙側(cè)拓寬方案，說明采用雙側(cè)拓寬方案的拓寬路基剪應力相對較小。當路基填筑施工至3層時，兩種施工方案的拓寬路基剪應力增長幅度基本一致；但路基填筑由3層施工至5層時，單側(cè)拓寬方案的拓寬路基剪應力增長幅度明顯要大于雙側(cè)拓寬方案。當路基填筑施工完成后，單側(cè)拓寬方案的拓寬路基最終剪應力為56.33 kPa，雙側(cè)拓寬方案的拓寬路基最終剪應力為46.21 kPa，降低了約17.9%。由此可知，采用雙側(cè)拓寬方案可有效降低拓寬路基的剪應力，防止邊坡滑塌等病害的出現(xiàn)。

圖6 不同施工方案的剪應力變化曲線圖

5 結(jié)語

(1)采用單側(cè)拓寬方案施工的拓寬路基水平位移整體要大于雙側(cè)拓寬方案。路基填筑施工完成后，雙側(cè)拓寬方案的拓寬路基最終水平位移要比單側(cè)拓寬方案小了約21.2%，說明雙側(cè)拓寬方案可有效控制拓寬路基的水平變形。

(2)路基填筑施工完成后，雙側(cè)拓寬方案的拓寬路基最終豎向沉降值要比單側(cè)拓寬方案的小13.8%，且施工過程中雙側(cè)拓寬方案的拓寬路基整體沉降較小，說明雙側(cè)拓寬方案可有效控制拓寬路基的不均勻沉降。

(3)隨著拓寬層數(shù)的增加，兩種施工方案的拓寬路基最大豎向應力均呈緩慢增大趨勢，但整體增長趨勢不大，說明兩種施工方案對于拓寬路基豎向應力的影響不大。

(4)采用單側(cè)拓寬方案施工的拓寬路基最大剪應力整體上要大于雙側(cè)拓寬方案。路基填筑施工完成后，單側(cè)拓寬方案的拓寬路基最終剪應力要比雙側(cè)拓寬方案的拓寬路基大17.9%，說明采用雙側(cè)拓寬方案可有效降低拓寬路基的剪應力。