山區(qū)高速公路改擴(kuò)建路基拓寬沉降控制標(biāo)準(zhǔn)研究

摘 要：經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展需要以更方便快捷的交通為支撐，為了滿足交通需求的不斷增長(zhǎng)，最有效的方式就是對(duì)現(xiàn)有高速公路進(jìn)行改擴(kuò)建。本文依托某山區(qū)高速公路改擴(kuò)建實(shí)際工程，建立路基拓寬差異沉降路面有限元計(jì)算模型，綜合考慮公路通車運(yùn)營(yíng)后路面材料的抗拉強(qiáng)度和疲勞特性，以變坡率0.10%和0.35%作為差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的下界和上界，將路基差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)分為輕微、低、中、高四個(gè)等級(jí)，為山區(qū)高速公路改擴(kuò)建工程路基拓寬工程的設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：公路改擴(kuò)建，路基，差異沉降，控制標(biāo)準(zhǔn)

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.24.040

我國(guó)經(jīng)濟(jì)已進(jìn)入信息化發(fā)展階段，經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要以方便、快捷的交通為支撐，現(xiàn)有高速公路的運(yùn)力不能滿足現(xiàn)階段和未來(lái)的交通需求，亟需擴(kuò)大高速公路運(yùn)輸能力[1-2]。尤其是我國(guó)缺乏土地資源。為了滿足交通需要，最行之有效的方式就是高速公路改擴(kuò)建，與新建高速公路相比，高速公路改擴(kuò)建可以有效利用原有路基，減少建設(shè)用地，縮短工程周期[3]。因此，舊高速公路的改擴(kuò)建將是目前我國(guó)高速公路發(fā)展的必然趨勢(shì)。

廣佛高速改擴(kuò)建作為我國(guó)首條完成的公路擴(kuò)建工程，緊隨其后，我國(guó)開(kāi)展了多條高速公路的改擴(kuò)建。目前公路改擴(kuò)建還沒(méi)有統(tǒng)一的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，盡管國(guó)內(nèi)外大量研究人員對(duì)高速公路改擴(kuò)建等問(wèn)題開(kāi)展了研究，但都不夠系統(tǒng)[4]。近年來(lái)，大量學(xué)者結(jié)合高速公路加寬工程實(shí)例，利用數(shù)值模擬研究了路面、路基、地基間的相互作用，揭示了差異沉降下路面的力學(xué)響應(yīng)，提出研究依托工程的差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)[5-9]。但是，研究項(xiàng)目來(lái)源多位于平原地區(qū)，相應(yīng)的研究成果是否適用于山區(qū)地質(zhì)條件下的高速公路改擴(kuò)建，仍值得進(jìn)一步研究。山區(qū)工程地質(zhì)條件差異相對(duì)較大，在山嶺重丘區(qū)開(kāi)展高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目時(shí)存在大量高填方路基，新舊路基拼接施工的差異沉降更明顯。為了防止新舊路基差異沉降造成路面結(jié)構(gòu)層破壞，在改擴(kuò)建路基設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)建立相應(yīng)的路基拓寬差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)采取相應(yīng)的控制措施以減小新舊路基差異沉降。

本研究結(jié)合廣西壯族自治區(qū)某山區(qū)高速公路改擴(kuò)建工程路基拓寬工程，根據(jù)路面材料力學(xué)特性建立路基加寬差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。研究成果可為山區(qū)高速公路改擴(kuò)建工程路基拓寬工程的設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)。

1 工程概況

廣西壯族自治區(qū)某高速公路改擴(kuò)建工程第三合同段原有公路路基穿越于越城嶺與架橋嶺兩大山脈，按高速山區(qū)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，為雙向四車道，設(shè)計(jì)速度80 km/h，路基寬度為21.5 m。本改擴(kuò)建項(xiàng)目主要采用兩側(cè)加寬方案，局部采用單側(cè)拼寬和分離式加寬，擴(kuò)建后的八車道設(shè)計(jì)速度100 km/h，路基寬41.0 m。本標(biāo)段位于山嶺重丘區(qū)域，路基回填高度最高可達(dá)33.76 m，回填土體在固結(jié)期間會(huì)發(fā)生顯著沉降。一般路基拼接設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2 路面差異沉降模型建立

根據(jù)新舊路基的差異沉降和所對(duì)應(yīng)的路基寬度，用變坡率指標(biāo)來(lái)表示新舊路基的差異沉降，進(jìn)而評(píng)價(jià)路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)特征。有限元計(jì)算的不均勻沉降與新舊路基實(shí)際變形情況有所差異，根據(jù)新舊路基的差異沉降曲線，將路基的差異沉降簡(jiǎn)化為在拼接處斜率突變的線性曲線，如圖2所示。

圖2中，y 0表示舊路中線處路基沉降；y 1表示舊路路肩處路基沉降；y 2表示新路路肩處路基沉降；x 1表示舊路路肩距離舊路中線的寬度；x 2表示路基拓寬寬度。

即舊路基最大差異沉降為：y 1-y 0，對(duì)應(yīng)變坡率為（y 1-y 0）/x 1；

新路基最大差異沉降為：y 2-y 1，對(duì)應(yīng)變坡率為（y 2-y 1）/x 2；

路基最大差異沉降為：y =y 2-y 0，對(duì)應(yīng)變坡率為（y 2-y 0）/（x 1+x 2）。

采用有限元方法計(jì)算新舊路基差異沉降引起的附加應(yīng)力，分析差異沉降作用下路面結(jié)構(gòu)的面層、基層和底基層的力學(xué)響應(yīng)特征。對(duì)有限元模型作以下基本假設(shè)：

（1）路面為條形結(jié)構(gòu)，將其視為平面應(yīng)變問(wèn)題；

（2）將路面視為均質(zhì)連續(xù)的彈性材料；

（3）結(jié)構(gòu)層沿豎向完全連續(xù)，高速公路運(yùn)營(yíng)后，差異沉降增長(zhǎng)時(shí)路面結(jié)構(gòu)層變形，層間無(wú)脫空現(xiàn)象；

（4）邊界條件：最底層路面選用沉降位移邊界，左邊界選用位移約束，方向水平，其余邊界自由。結(jié)合依托工程項(xiàng)目的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙和部分參考文獻(xiàn)，路面各結(jié)構(gòu)層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。路基加寬多采用兩側(cè)加寬的形式，取對(duì)稱路基的一半進(jìn)行研究分析，根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況，取舊路基寬11 m，新路基部分寬8 m，有限元模型網(wǎng)格情況如圖3所示。

3 路面差異沉降模擬結(jié)果

3.1 路面力學(xué)響應(yīng)特征分析

新舊路基過(guò)大的差異沉降將導(dǎo)致路面承受一定的拉應(yīng)力，路面材料的抗壓強(qiáng)度較高，但抗拉強(qiáng)度較低。根據(jù)新舊路基表面差異沉降變形曲線確定模型的下邊界條件，計(jì)算出不同差異沉降下路面各結(jié)構(gòu)層的力學(xué)響應(yīng)特征，路面結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力曲線如圖4所示，路面結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力隨路面深度變化曲線如圖5所示，不同差異沉降下路面最大拉應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表2。

由圖4和表2可以看出，路面結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力隨差異沉降的增長(zhǎng)呈正相關(guān)變化關(guān)系，最大差異沉降從2 cm變化到10 cm，即變坡率由0.1%增長(zhǎng)到0.5%時(shí)，面層最大拉應(yīng)力由0.28 MPa增長(zhǎng)到1.41 MPa，底基層最大拉應(yīng)力由0.03 MPa變?yōu)?.21 MPa。差異沉降相同時(shí)，瀝青路面結(jié)構(gòu)受拉應(yīng)力大小關(guān)系為面層gt;基層gt;底基層。

由圖5可以看出，不同路基最大差異沉降下路面結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力沿深度方向變化趨勢(shì)一致。由底基層底面到面層頂面，路面最大主應(yīng)力基本表現(xiàn)為線性變化，底基層壓應(yīng)力隨之降低，在基層某范圍處由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)為拉應(yīng)力，且面層頂面拉應(yīng)力最大。依據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]，對(duì)于路面材料的劈裂強(qiáng)度，面層和基層分別為1.15 MPa和0.65 MPa。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，當(dāng)差異沉降為10 cm時(shí)，面層受到1.41 MPa的拉應(yīng)力；差異沉降為8 cm時(shí)，最大拉應(yīng)力降至1.13 MPa，線性插值可得差異沉降為8.14 cm時(shí)，面層拉應(yīng)力達(dá)到極限狀態(tài)，路面可能出現(xiàn)破壞。當(dāng)差異沉降為8 cm和6 cm時(shí)，基層所受拉應(yīng)力為0.78 MPa和0.59 MPa，計(jì)算得差異沉降為6.63 cm時(shí)，基層拉應(yīng)力達(dá)到極限狀態(tài)。有限元計(jì)算結(jié)果可知底基層在不同最大差異沉降時(shí)受到的最大拉應(yīng)力均很小，遠(yuǎn)低于基層的劈裂強(qiáng)度。

由此可得，對(duì)于不同情況的路基差異沉降，基層所受拉應(yīng)力均最先接近臨界狀態(tài)。因此，根據(jù)不同差異沉降下路面結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)特征，以基層破壞時(shí)的應(yīng)力作為沉降控制指標(biāo)，即瀝青路面能抵抗6.63 cm的最大差異沉降，對(duì)應(yīng)的變坡率為0.35%。

3.2 路面結(jié)構(gòu)疲勞破壞分析

高速公路改擴(kuò)建新舊路基差異沉降發(fā)展較為漫長(zhǎng)，路面結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力狀態(tài)不斷變化。以路面結(jié)構(gòu)層的最大拉應(yīng)力作為判定面層是否破壞，只考慮了路面的短期行為。在交通荷載的長(zhǎng)期循環(huán)作用下，路面材料的容許應(yīng)力出現(xiàn)明顯衰減?！豆窞r青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]規(guī)定瀝青路面的應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)：結(jié)構(gòu)層所受最大拉應(yīng)力不能超過(guò)材料的容許應(yīng)力，即

式中：Ac為等級(jí)系數(shù)，高速公路取1.0；Aa為瀝青混合料級(jí)配系數(shù)；Ne為單車道總計(jì)當(dāng)量軸次。由上式計(jì)算可得路面結(jié)構(gòu)面層容許拉應(yīng)力分別為0.30 MPa，基層為0.29 MPa，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，線性插值可得最大差異沉降為2.14 cm時(shí)，面層拉應(yīng)力極限狀態(tài)；差異沉降為2.95 cm時(shí)，基層拉應(yīng)力達(dá)到極限狀態(tài)。以路面材料疲勞破壞時(shí)的應(yīng)力作為沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，即差異沉降最大值為2.14 cm，此時(shí)的變坡率為0.11%。

4 差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)分級(jí)

道路通車運(yùn)營(yíng)后，拓寬路基的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)綜合考慮材料的抗拉強(qiáng)度和疲勞特性。路面材料的強(qiáng)度衰減是路面變形的主要原因，取權(quán)重系數(shù)為6；考慮材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，取權(quán)重系數(shù)為4，計(jì)算加權(quán)平均值確定新舊路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，則：

新舊路基差異沉降控制最大值為3.936 cm，對(duì)應(yīng)的變坡率為0.21%。疲勞特性對(duì)應(yīng)的沉降控制值最嚴(yán)，極限抗拉強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的沉降控制值最寬，故以容許值2.14 cm和變坡率0.11%作為控制標(biāo)準(zhǔn)的低限，以容許值6.63 cm和變坡率0.35%作為控制的高限。因此，以變坡率0.10%為沉降控制的下界，變坡率0.35%為沉降控制上界，將路基差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)分為輕微、低、中、高四個(gè)等級(jí)，具體分級(jí)結(jié)果見(jiàn)表3。

當(dāng)路基最大差異沉降等級(jí)為“輕微”時(shí)，即路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)良好，不需處理；當(dāng)最大差異沉降等級(jí)為“低”時(shí)，可對(duì)路基稍加處理；當(dāng)最大差異沉降等級(jí)為“中”時(shí)，應(yīng)選用合適的填筑方案以減小差異沉降；當(dāng)最大差異沉降等級(jí)為“高”時(shí)，必須對(duì)路基和地基進(jìn)行處理。

5 結(jié) 論

本研究結(jié)合某山區(qū)高速公路改擴(kuò)建實(shí)際工程，利用有限元計(jì)算方法建立路基拓寬差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。綜合考慮公路通車運(yùn)營(yíng)后路面材料的抗拉強(qiáng)度和疲勞特性，以變坡率0.10%和0.35%作為差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)的下界和上界，將路基差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)分為輕微、低、中、高四個(gè)等級(jí)。研究成果可為山區(qū)高速公路改擴(kuò)建工程路基拓寬工程的設(shè)計(jì)和施工提供理論依據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介

張永奇，本科，工程師，研究方向?yàn)楣饭こ獭⒔煌ㄍ两?、路基工程?/p>

石橋，本科，助理會(huì)計(jì)師，研究方向?yàn)楣饭こ淌┕ぜ俺杀究刂?、工程管理?/p>

張萬(wàn)茂，通信作者，碩士，研究方向?yàn)閹r土工程災(zāi)害防控。

張棟梁，本科，助理工程師，研究方向?yàn)楣饭こ獭?/p>

（責(zé)任編輯：劉憲銀）