不同加寬模式下公路路基路面變形特性對(duì)比分析

陳文韜,楊中曦,吳新宇

(1.葛洲壩集團(tuán)交通投資有限公司,湖北 武漢 430033;2.廣西葛洲壩田西高速公路有限公司,廣西 百色 533099;3.中智湖北經(jīng)濟(jì)技術(shù)合作有限公司,湖北 武漢 430075;4.廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530012)

0 引言

隨著國內(nèi)交通網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展,許多老舊公路寬度已不能滿足車輛通行需求,公路路基加寬改擴(kuò)建成為解決該問題的重要方式之一。近年來,國內(nèi)學(xué)者開展了一些研究。呂青、楊濤等[1-2]以某公路路基改擴(kuò)建工程為研究對(duì)象,采用有限元軟件對(duì)單雙側(cè)路基加寬模式下的路基變形進(jìn)行了分析,其研究結(jié)果可為道路改擴(kuò)建提供參考。徐柿根、劉鄭等[3-4]從公路拼寬施工技術(shù)出發(fā),對(duì)相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行細(xì)致的說明,并重點(diǎn)對(duì)路基拼寬施工工藝、質(zhì)量控制以及拼接效果等方面進(jìn)行了分析,研究結(jié)果可為公路路基拼寬施工提供一些建議。姚幫先、黎興銓等[5-6]基于對(duì)道路改擴(kuò)建需求的分析,對(duì)高速公路改擴(kuò)建施工技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性分析,并提出了一些思路和見解。王惠勇、衛(wèi)高明等[7-8]以某公路拓寬為研究對(duì)象,采用有限元方法對(duì)單雙側(cè)路基拓寬不均勻沉降進(jìn)行了對(duì)比分析,并著重分析了路基拉應(yīng)力變化規(guī)律,研究了不同拓寬模式下的路面結(jié)構(gòu)層裂縫產(chǎn)生機(jī)理。本文主要以某道路路基改擴(kuò)建工程為研究對(duì)象,分析了單側(cè)和雙側(cè)加寬兩種改擴(kuò)建方式下的路基變形特性,并重點(diǎn)對(duì)二者加寬方式進(jìn)行了對(duì)比分析,研究結(jié)果可為類似工程設(shè)計(jì)和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某公路路基頂部寬度為12 m,單向兩車道,設(shè)計(jì)時(shí)速為80 km/h。由于現(xiàn)有通行量已經(jīng)不能滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展要求,擬對(duì)其進(jìn)行改擴(kuò)建。如圖1所示,給出了雙側(cè)加寬和單側(cè)加寬兩種方式,雙側(cè)加寬方式為兩側(cè)分別加寬8 m,單側(cè)加寬方式為只一側(cè)加寬16 m,路基邊坡坡率均仍按照原始坡率1∶1.5設(shè)計(jì)、路基高度為8 m。地表從上至下依次為粉質(zhì)黏土層和黏土層,厚度依次為15 m和20 m,施工時(shí)采用分層鋪填碾壓的方法以確保工程質(zhì)量。

(a)雙側(cè)加寬

2 數(shù)值建模

2.1 模型的建立

如下頁圖2所示,采用有限元軟件ANAYS建立了數(shù)值模型,包括雙側(cè)加寬和單側(cè)加寬兩種方式。加寬后的路基的頂部寬度取值為28.0 m,路基填土高度為8.0 m,施工時(shí)采用分層鋪填碾壓的方法。路堤坡底寬度為52 m,模型整體寬度為60 m,模型長度取20 m,高度取43 m。原始地表從上至下依次為粉質(zhì)黏土層和黏土層,厚度依次為15 m和20 m。建模采用實(shí)體單位模擬。模型除上邊界外,其他邊界均進(jìn)行位移約束。模型均采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型。

(a)雙側(cè)加寬

2.2 參數(shù)賦值

如表1所示,為新老路基、黏土和粉質(zhì)黏土的土體物理力學(xué)參數(shù)。

表1 土體的物理力學(xué)參數(shù)表

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 路基加寬后整體變形分析

為了分析兩種不同路基加寬方式下的沉降特性,圖3給出了路基加寬豎向變形云圖。由圖3(a)可知,在雙側(cè)加寬方式下,兩側(cè)新加寬的路基豎向變形明顯大于中間的舊路基,并且呈現(xiàn)左右對(duì)稱的特點(diǎn),這是由于舊路基經(jīng)過長時(shí)間的壓密和沉降已趨于變形穩(wěn)定狀態(tài),最大豎向沉降值約為30.0 mm,最大沉降位置在新路基頂面處,隨著路基深度的增大而減小。舊路基的最大沉降值約為新路基的50%,最大沉降位置位于舊路基的中心。由圖3(b)可知,對(duì)于單側(cè)加寬方式,新加寬一側(cè)的路基豎向變形明顯大于舊路基,最大豎向沉降值約為44.1 mm,最大沉降位置發(fā)生在新路基頂面,且隨著路基深度的增大而減小。

(a)雙側(cè)加寬

綜上所述,新建路基的沉降要明顯大于舊路基,而采用單側(cè)加寬路基方法時(shí)的路基豎向變形明顯大于雙側(cè)加寬方式。施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制新路基的壓實(shí)度并注重處理好新老路基連接處,以在一定程度上降低路基差異沉降。

3.2 路基加寬后頂面和底面變形分析

3.2.1 路基頂面變形分析

為了研究單側(cè)加寬和雙側(cè)加寬方法對(duì)路基頂面變形的影響,如圖4所示,給出了不同路基加寬方式下路基頂面水平位移曲線。由圖4可知,單側(cè)加寬方式下路基頂面最大水平位移值為9.63 mm,而雙側(cè)加寬方式下路基頂面最大水平位移值為3.92 mm。采用雙側(cè)加寬方式,路基頂面最大水平位移減小了59.3%,且從整體上來看,采用雙側(cè)加寬方式下的路基頂面水平位移波動(dòng)幅度較小,且基本整體小于采用單側(cè)加寬路基時(shí)。綜上可知,從減小路基頂面水平位移方面考慮,采用雙側(cè)加寬路基方式效果更佳。

圖4 不同加寬方式下路基頂面水平位移曲線圖

如圖5所示,給出了不同路基加寬方式下路基頂面豎向位移曲線。由圖5可知,單側(cè)加寬方式下路基頂面最大豎向位移值為44.1 mm,而雙側(cè)加寬方式下路基頂面最大豎向位移值為30.0 mm。采用雙側(cè)加寬方式下路基頂面最大豎向位移減小了32.0%,且從整體上來看,采用雙側(cè)加寬方式下的路基頂面豎向差異沉降較小,在實(shí)際工程中更容易控制施工質(zhì)量。綜上可知,從減小路基頂面豎向位移方面考慮,采用雙側(cè)加寬路基方式效果更好。

圖5 不同加寬方式下路基頂面豎向位移曲線圖

3.2.2 路基底面變形分析

為了研究單側(cè)加寬和雙側(cè)加寬方法對(duì)路基底面變形的影響,如圖6所示,給出了不同路基加寬方式下路基底面的水平位移曲線。由圖6可知,單側(cè)加寬方式下路基底面的最大水平位移值為2.74 mm,而雙側(cè)加寬方式下路基底面最大水平位移值為1.87 mm,采用雙側(cè)加寬方式下路基底面最大水平位移減小了31.8%。從整體上來看,采用單側(cè)加寬方式時(shí)路基底面水平位移最大差值達(dá)1.23 mm,而雙側(cè)加寬時(shí)最大差值為0.76 mm,雙側(cè)加寬方式下的路基底面水平位移波動(dòng)幅度更小。綜上可知,從減小路基底面水平位移方面考慮,采用雙側(cè)加寬路基方式效果更佳。

圖6 不同加寬方式下路基底面水平位移曲線圖

如圖7所示,給出了不同路基加寬方式下路基底面豎向位移曲線。由圖7可知,單側(cè)加寬方式下路基底面最大豎向位移值為42.2 mm,而雙側(cè)加寬方式下路基底面最大豎向位移值為28.3 mm,采用雙側(cè)加寬方式下路基底面最大豎向位移減小了32.9%。從整體上來看,采用單側(cè)加寬方式時(shí)路基底面豎向位移最大差值達(dá)43.4 mm,而雙側(cè)加寬時(shí)最大差值為13.8 mm。綜上可知,從減小路基底面豎向位移方面考慮,采用雙側(cè)加寬路基方式效果更好。

圖7 不同加寬方式下路基底面豎向位移曲線圖

通過上述分析可知,從控制路基變形角度出發(fā),采用雙側(cè)加寬路基方式比單側(cè)加寬方式更優(yōu)越。但是在實(shí)際工程中,尤其對(duì)于國道、省道改擴(kuò)建項(xiàng)目,需要從土體資源劃批、施工進(jìn)度和成本等方面進(jìn)行考慮時(shí),單側(cè)加寬路基方式可能更具有優(yōu)勢。因此,在實(shí)際工程中應(yīng)該綜合各方資源,合理考慮路基改擴(kuò)建方式,并加強(qiáng)施工質(zhì)量控制,最終達(dá)到建設(shè)目標(biāo)。

4 結(jié)語

本文主要以某道路路基改擴(kuò)建工程為研究對(duì)象,分析了單側(cè)和雙側(cè)加寬兩種改擴(kuò)建方式下的路基變形特性,并重點(diǎn)對(duì)兩種加寬方式進(jìn)行了對(duì)比分析,得到以下結(jié)論:

(1)新建路基的沉降要明顯大于舊路基,施工過程中采用嚴(yán)格控制新路基壓實(shí)度并注重處理好新老路基連接處方法,可以一定程度上降低路基差異變形。

(2)采用雙側(cè)加寬方式時(shí),路基頂面和底面最大水平位移較單側(cè)加寬方式分別減小了59.3%和31.8%,且從整體上來看,采用雙側(cè)加寬方式下的路基頂面水平位移波動(dòng)幅度較小。

(3)采用雙側(cè)加寬方式時(shí),路基頂面和底面最大豎向位移較單側(cè)加寬方式分別減小了32.0%和32.9%,且從整體上來看,采用雙側(cè)加寬方式下的路基頂面豎向差異沉降較小,在實(shí)際工程中更容易控制施工質(zhì)量。

(4)從控制路基變形角度出發(fā),采用雙側(cè)加寬路基方式優(yōu)于單側(cè)加寬方式。但是在實(shí)際工程中,從土體資源劃批、施工進(jìn)度和成本等方面考慮時(shí),單側(cè)加寬路基方式可能更具有優(yōu)勢。因此,在實(shí)際工程中應(yīng)綜合各方資源,合理考慮路基改擴(kuò)建方式,加強(qiáng)施工質(zhì)量控制,以達(dá)到建設(shè)目標(biāo)。