張凱樂
(石家莊市公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司,河北 石家莊 050000)
舊路基經(jīng)長時間使用,土體固結(jié)沉降基本全部完成,處在穩(wěn)定狀態(tài)。但拓寬施工后,由于土體強(qiáng)度存在差異,會使新舊路基之間出現(xiàn)一定的差異沉降。為明確新路基加載可能給舊路基變形造成的影響,借助ABAQUS開展地應(yīng)力平衡,在達(dá)到平衡狀態(tài)后,土體初始位移達(dá)到零,以此為基礎(chǔ),對新路基填筑進(jìn)行加載分析。當(dāng)開挖臺階的寬度和高度分別為1.5m、1.0m時,根據(jù)每次開挖完成后的臺階的云圖可以看出,伴隨填筑不斷進(jìn)行,新路基產(chǎn)生的沉降明顯增加,并且舊路基兩側(cè)還會由于新路基荷載增加產(chǎn)生向內(nèi)的位移[1]。當(dāng)新路基填筑高度不斷增加時,舊路基產(chǎn)生的沉降也明顯變大,當(dāng)新路基填高為4m時,舊路基產(chǎn)生0.4cm的沉降,當(dāng)新路基填高為6m時,舊路基產(chǎn)生1.2cm的沉降,在新路基開始運(yùn)營后,舊路基產(chǎn)生3.1cm的沉降。從以上數(shù)據(jù)可以看出,新路基填筑施工對舊路造成的影響不斷增強(qiáng),使拓寬處沉降值增加,最大沉降產(chǎn)生于1/2填高處,即新、舊路基之間的交界處。其原因為采用臺階法進(jìn)行開挖時屬于分層加載,基本還原工程實際情況,實際計算結(jié)果與一般規(guī)律基本相符。
除豎向沉降以外,在新路基填筑過程中,水平方向的位移也會產(chǎn)生明顯變化。新路基填筑時,路肩產(chǎn)生的變形從0.3cm增加至0.7cm,具體的變化方向為舊路基方向,下部變形較大,具體為從0.8cm增加至2.5cm,具體的變化方向為坡外。填筑時的最大變形產(chǎn)生于新舊路基之間的拼接帶處,其原因為分層填筑完成后受自重作用產(chǎn)生一定的壓縮變形。舊路基和地基形成的整體也會由于新路基填筑施工產(chǎn)生一定水平方向變形,最大變形值產(chǎn)生于舊路基頂部,具體數(shù)值為4.3cm,其原因為路基開挖之后產(chǎn)生不斷累積的變形,舊路基基底由于新路基填筑不斷被壓縮,產(chǎn)生向路中側(cè)的水平方向位移,具體數(shù)值為1.1cm[2]。
在改擴(kuò)建工程中對差異沉降進(jìn)行控制時,相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)是保證最終控制效果的重要參考依據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)除了要充分考慮與實際工程之間的適用性,還應(yīng)使綜合效益達(dá)到平衡。目前對改擴(kuò)建工程進(jìn)行沉降評估時,主要采用以下幾種指標(biāo):總沉降、工后沉降、差異沉降與邊坡率。
對拓寬工程而言,因舊路基在新路基荷載作用下沉降分布會出現(xiàn)明顯的變化,具體表現(xiàn)為兩側(cè)沉降相對較大,而中部沉降相對較小,因而在拓寬后路基進(jìn)入運(yùn)營狀態(tài)后,伴隨路基工后沉降不斷產(chǎn)生,路拱坡度將持續(xù)增大。基于此,設(shè)計過程中,應(yīng)預(yù)留一定的空間,避免擴(kuò)建結(jié)束后因橫坡產(chǎn)生明顯變化而超出安全允許標(biāo)準(zhǔn)[3]。
由于拓寬工程并沒有統(tǒng)一的沉降控制標(biāo)準(zhǔn),因此我國不同路段的拓寬工程所用的控制標(biāo)準(zhǔn)往往不盡相同,例如沈大高速公路的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為拓寬路基工后沉降量不超過12cm;滬杭甬高速公路的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為一般路段的拓寬路基工后沉降量不超過15cm、橋頭段的拓寬路基工后沉降量不超過5cm,且橫坡比變化不超過0.5°;滬寧高速公路的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為拓寬路基總沉降量不超過15cm,工后沉降量不超過5cm,且路拱橫坡沒有反坡;常澄至滬寧拼接段的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為拓寬路基工后沉降不超過10cm[4]。
在地基條件下進(jìn)行拓寬工程施工時,無論是變形量還是變形產(chǎn)生速率都比一般路段的高速公路高很多,因此更容易出現(xiàn)沉降和差異沉降,進(jìn)而給拓寬路基質(zhì)量造成嚴(yán)重影響,嚴(yán)重時將引起縱向開裂。因此,由于路基自身工程特性較為特殊,需提出比其他工程更嚴(yán)重的沉降控制標(biāo)準(zhǔn),具體為:工后沉降的計算年限要達(dá)到15年以上;拓寬路基工后沉降應(yīng)控制在5cm以內(nèi);拼接處理部位的橫向變坡率應(yīng)控制在0.3%以內(nèi);復(fù)合地基部位的變坡率應(yīng)控制在0.2%以內(nèi)。
土工格柵是采用聚丙烯、聚氯乙烯與其他高分子聚合物經(jīng)熱塑性或模壓制作而成的二維網(wǎng)格狀或三維狀網(wǎng)格,不僅變形模量大、抗拉強(qiáng)度高、抗老化性能強(qiáng),且摩擦系數(shù)大,可達(dá)到理想效果,實際加固效果明顯好于采用傳統(tǒng)材料。將該技術(shù)應(yīng)用于拓寬工程當(dāng)中,能對新舊路基之間的接縫予以有效加固,促使兩者形成一個完整體,從而將沉降,尤其是不均勻沉降限制在安全范圍之內(nèi)。在舊路基開挖完成后,沿縱向在開挖形成的臺階表面鋪設(shè)一道土工合成材料,同時在新路基中進(jìn)行鋪設(shè),使新舊路基形成一個整體。此外,為加強(qiáng)新舊路基的結(jié)合性,還需在舊路基當(dāng)中設(shè)置加固帶。若按照筋材用料及生產(chǎn)工藝,則可將土工格柵分成整體成型格柵、焊接成型格柵、鋼塑格柵與玻纖格柵四種。在選擇具體格柵類型時,一方面要考慮工程需要,另一方面則要考慮材料的單價與運(yùn)輸?shù)确矫娴某杀尽?/p>
土工格柵一般從地表開始鋪設(shè),向上按照三個臺階高度的間隔依次放置,格柵主要物理力學(xué)參數(shù)包括:①密度:20g/cm3;②泊松比:0.25;③彈性模量:80MPa;④黏聚力:16kPa;⑤內(nèi)摩擦角:35°。因格柵厚度相對較小,因此其結(jié)構(gòu)層需使用厚度滿足要求的均質(zhì)材料替代。
為明確加筋層位和層數(shù)與擴(kuò)寬路基沉降之間的關(guān)系,確定以下工況:
工況一:未鋪設(shè)土工格柵;
工況二:在第一層鋪設(shè)土工格柵;
工況三:在第二層鋪設(shè)土工格柵;
工況四:在第三層鋪設(shè)土工格柵;
工況五:在第四層鋪設(shè)土工格柵;
工況六:在第一層和第四層分別鋪設(shè)土工格柵;
工況七:在第二層和第三層分別鋪設(shè)土工格柵;
工況八:在第一、第二和第三層分別鋪設(shè)土工格柵;
工況九:在第一、第二、第三和第四層均鋪設(shè)土工格柵。
對以上不同工況條件下的加固效果進(jìn)行對比和分析,結(jié)果如表1、2所示。
表1 不同工況條件下路基頂部工后沉降
表2 不同工況條件下路基頂部工后水平位移
從以上結(jié)果可以看出:
(1)鋪設(shè)與未鋪設(shè)工況相比,工況二條件下能減少0.283cm的工后沉降,工況三條件下能減少0.207cm的工后沉降,工況四條件下能減少0.205cm的工后沉降,工況五能減少0.281cm的工后沉降,工況六條件下能減少0.413cm的工后沉降,工況七條件下能減少0.333cm的工后沉降,工況八條件下能減少0.438cm的工后沉降,工況九條件下能減少0.494cm的工后沉降;工況二條件下能減少0.334cm的水平方向位移,工況三條件下能減少0.240cm的水平方向位移,工況四條件下能減少0.237cm的水平方向位移,工況五條件下能減少0.331cm的水平方向位移,工況六條件下能減少0.562cm的水平方向位移,工況七條件下能減少0.423cm的水平方向位移,工況八條件下能減少0.648cm的水平方向位移,工況九條件下能減少0.741cm的水平方向位移。由此可以看出,當(dāng)路基高度與臺階尺寸完全相同時,不論何種工況,加筋后路基整體工后沉降及水平方向位移均明顯減小。將土工格柵鋪設(shè)于路基當(dāng)中能起到分散荷載的作用,提高土體自身剛度模量,防止路基產(chǎn)生較大沉降,從而減小路基的橫豎向變形。不同工況條件下的路基橫豎向變形并無太大差異,尤其是路基頂部的差異沉降,保持在4.392~4.679cm之內(nèi),最大相差只有0.287cm,表明雖然土工格柵加筋能減小路基沉降,但實際效果比較有限。
(2)根據(jù)以上結(jié)果對加筋位置和加筋效果之間的關(guān)系進(jìn)行分析。在工況二、三、四、五幾種條件下,無論加筋位置如何,都能減小路基沉降及水平方向位移,從而降低新舊路基之間的差異沉降。然而,工況二條件下的最大工后沉降數(shù)值為4.965cm,工況五條件下的最大工后沉降數(shù)值為4.933cm,但工況三條件下的最大工后沉降數(shù)值為5.041cm,工況四條件下的最大工后沉降數(shù)值為5.037cm,工況二、五的處治效果比工況三、四好得多,表明進(jìn)行單層加筋施工時,在路表的頂部或路基的底部進(jìn)行加筋能更有效地減小不均勻沉降,在中部進(jìn)行加筋的減小沉降作用則相對較小。其原因為:在路基的基底進(jìn)行加筋可以增強(qiáng)路基整體承載力,防止裂紋產(chǎn)生與發(fā)展,良好地分擔(dān)從路面?zhèn)鬟f下來的荷載。基于此,實際施工時應(yīng)優(yōu)先考慮在路表或基底處進(jìn)行加筋。
(3)根據(jù)以上結(jié)果對加筋層數(shù)和加筋效果之間的關(guān)系進(jìn)行分析,對工況五、六、八、九條件下的計算結(jié)果進(jìn)行對比分析,結(jié)果為:工況五條件下路基表面工后沉降的最大值為4.965cm,工況六條件下路基表面工后沉降的最大值為4.835cm,工況八條件下路基表面工后沉降的最大值為4.810cm,而工況九條件下路基表面工后沉降的最大值為4.754cm;在水平方向位移方面,工況五條件下路基沿水平方向發(fā)生的最大位移為4.215cm,工況六條件下路基沿水平方向發(fā)生的最大位移為3.992cm,工況八條件下路基沿水平方向發(fā)生的最大位移為3.904cm,工況九條件下路基沿水平方向發(fā)生的最大位移為3.811cm。從以上結(jié)果可以看出,當(dāng)格柵鋪設(shè)層數(shù)增加時,加固效果提升,沉降與位移降低的幅度增大。在以上幾種工況條件下,以工況九差異沉降數(shù)值達(dá)到最小,具體數(shù)值為4.392cm,但僅比工況六條件下小0.056cm,實際變化并不大??梢?,在路基表面與基底分別布置兩層格柵可以最大限度控制差異沉降,相比之下全層加筋并沒有顯著優(yōu)勢,反而會造成材料和工期上的浪費(fèi)。
經(jīng)以上分析可得,采用鋪設(shè)格柵的方法能減少新舊路基之間的差異沉降,且大多情況下鋪設(shè)兩層格柵即可達(dá)到工程要求,采用全層鋪設(shè)的方案并不能達(dá)到預(yù)期作用與兩層鋪設(shè)并無太大差別,因此會造成浪費(fèi)。基于此,為保證路基施工的安全性與經(jīng)濟(jì)合理性,對低填方路基而言,建議在路基頂部與地表分別鋪設(shè)格柵,而高填路基需結(jié)合開挖臺階尺寸,按照一定層數(shù)間隔在臺階上進(jìn)行格柵的鋪設(shè)。
采用土工格柵加筋的方法可以在很大程度上對路表沉降變形予以改善,緩解路表沉降和側(cè)向變形,但實際作用存在一定限制。該方法的實際處治效果會受到加筋位置、加筋層數(shù)等因素的影響。其中,在路基表面或路基基底進(jìn)行加筋的效果顯著好于在中部加筋;當(dāng)加筋層數(shù)增加時,雖然處治效果有所提高,但并不現(xiàn)實,一味按照全層加筋的方案進(jìn)行處治,非但難以達(dá)到預(yù)期處治效果,還會造成資源上的浪費(fèi)。因此,采用加筋方案控制差異沉降的過程中,應(yīng)做到具體情況具體分析,例如在低填路基施工中,建議在其表面與地表分別鋪設(shè)一道格柵,而在高填路基施工中,需結(jié)合開挖臺階的具體尺寸大小,按照適當(dāng)?shù)拈g隔層數(shù)在臺階表面鋪設(shè)格柵。
綜上所述,差異沉降是高速公路改擴(kuò)建工程路基加寬段施工常見問題,為實現(xiàn)對該部位差異沉降的有效控制,首先要明確加寬段路基變形特性,然后結(jié)合加寬段路基特點確定適宜的沉降控制標(biāo)準(zhǔn),最后采用土工格柵加筋等方法加以控制和處治,并根據(jù)相關(guān)試驗結(jié)果,確定具體的加筋參數(shù),保證最終的控制和處治效果。