高速公路高填方路基沉降變形數(shù)值模擬分析及防治措施研究

楊錦鳳，周浪峰

(1.廣西新恒通高速公路有限公司，廣西 南寧 530000；2.柳州市交通綜合行政執(zhí)法支隊(duì)，廣西 柳州 545000)

1 路基沉降變形數(shù)值模擬分析

1.1 計(jì)算模型及參數(shù)確定

(1)建立路基計(jì)算模型

高速公路車道為雙向四車道，路基寬度選取26 m，第二、三級(jí)路基填筑高度均為8 m，第一級(jí)邊坡坡率為1∶1.5，第二、三級(jí)邊坡坡率均為1∶1.75，邊坡平臺(tái)寬度均為1.5 m。

(2)模型參數(shù)確定

路基填土按照三級(jí)路堤填筑，路基模型計(jì)算過程中主要涉及路基土體物理力學(xué)參數(shù)，基于相關(guān)資料得到土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 路基土體物理力學(xué)參數(shù)表

(3)土體力學(xué)參數(shù)確定

采用Mohr-Coulomb力學(xué)模型，土體變形參數(shù)采用體積模量(K)及剪切模量(G)。采用相關(guān)公式(1)及(2)將回彈模量(E)和泊松比(μ)轉(zhuǎn)化成體積模量(K)和剪切模量(G)，如表2所示。

表2 路基力學(xué)參數(shù)

K=E/3(1-2μ)

(1)

G=E/2(1+μ)

(2)

1.2 路基填土高度對(duì)路基沉降變形的影響

(1)模型計(jì)算范圍、水分邊界條件、初始值及位移邊界

選取填土高度分別為18 m、20 m、22 m的路基，按同級(jí)路堤填土高度土體性質(zhì)相同進(jìn)行簡化處理。路側(cè)無積水時(shí)，路基考慮在最佳含水率為10%實(shí)施填筑。

路基模型左右兩側(cè)采用x方向上的位移為0，即δx=0；路基模型前后兩側(cè)采用y方向上的位移為0，即δy=0；路基底部沿x、y方向受約束，即δz=0。

(2)計(jì)算參數(shù)選取

根據(jù)表1、2選取路基模型計(jì)算參數(shù)。

(3)路基模型計(jì)算分析

由圖1可看出，在路基頂同等作用力下，路基豎向等位線隨路基填土高度增大而加密，路基豎向變形隨高度增加而增大，且從路基邊部向中部豎向等位線加密，即從路基邊部向中部豎向變形增大。路基隨高度增大，自重增加，豎向沉降變形量增大，工后沉降變形量增大，路基穩(wěn)定性越低。

圖1 填筑路基高度20 m與填筑路基高度22 m對(duì)豎向沉降變形影響的趨勢云圖

1.3 路側(cè)積水對(duì)高路基沉降變形的影響

(1)路基模型計(jì)算、邊界條件及相關(guān)參數(shù)確定

選取路基高度為18 m，路基左側(cè)積水10 d，其他邊界條件、相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)條件保持不變，模擬路基豎向沉降變形趨勢。

(2)模型計(jì)算分析

由圖2可看出，路側(cè)積水時(shí)，路基豎向變形等位線較無積水的加密，路基豎向變形增大；路基豎向總體變形與路側(cè)積水距離成反比，積水處路基豎向變形達(dá)到最大。水分遷移到路基內(nèi)部，路基土體抗剪強(qiáng)度下降，增大路基容重，導(dǎo)致豎向沉降變形逐漸增大，路基穩(wěn)定性下降，縮短路基使用壽命，進(jìn)而影響路面使用性能。

圖2 路側(cè)無積水、積水對(duì)路基豎向沉降變形影響的趨勢云圖

1.4 土工格柵處治對(duì)高填方路基沉降變形的影響

選取18 m路基高度未采取土工格柵處治與每填筑路基厚4 m鋪設(shè)一層土工格柵材料處治進(jìn)行模擬路基豎向變形趨勢。

由圖3可看出，每填筑厚4 m采取土工格柵處治后路基豎向變形明顯減小，鋪設(shè)土工格柵提高每層路基基底抗拉強(qiáng)度性能，有效改善路基沉降變形，有效控制高路基沉降變形總量，土工格柵對(duì)土體具有固結(jié)性作用，保證路基穩(wěn)定性。

圖3 未采用土工格柵與采用土工格柵處治對(duì)填筑路基豎向變形影響的趨勢云圖

1.5 增強(qiáng)補(bǔ)壓措施對(duì)高填方路基沉降變形的影響

選取20 m路基每填筑厚2 m采取增強(qiáng)補(bǔ)壓措施與未采取增強(qiáng)補(bǔ)壓措施對(duì)路基沉降變形分析。

由圖4可看出，采取增強(qiáng)補(bǔ)壓后，路基豎向沉降變形量明顯小于未采取增強(qiáng)補(bǔ)壓的沉降變形，沖擊增強(qiáng)補(bǔ)壓或強(qiáng)夯增強(qiáng)補(bǔ)壓措施有效提高路基壓實(shí)度，加速路基沉降變形速度，降低路基后期沉降變形量，保證路基后期豎向沉降變形控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)，降低因路基沉降導(dǎo)致路面開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 未采用增強(qiáng)補(bǔ)壓、采用增強(qiáng)補(bǔ)壓措施對(duì)路基豎向沉降變形影響的趨勢云圖

1.6 半填半挖路段高填方采取土工格柵處治對(duì)路基沉降變形的影響

由圖5可看出，下路堤范圍填筑每2 m厚及路床范圍填筑每0.5 m厚在填挖交界處鋪設(shè)一層土工格柵后路基豎向沉降變形及水平位移明顯下降，填挖交界處是路基抗剪切變形能力薄弱面，采取土工格柵處治后有效提高填挖交界處抗剪切變形能力，降低路基豎向沉降及水平位移超出規(guī)范允許范圍的風(fēng)險(xiǎn)，有效預(yù)防填方區(qū)域沉降變形過大導(dǎo)致路基縱向裂縫，確保路基穩(wěn)定。

圖5 填挖交界處未采取土工格柵處治與采取土工格柵處治對(duì)路基沉降變形影響的趨勢云圖

2 高填方路基沉降變形防治措施

2.1 采取土工格柵處治

在填挖交界處路面底超挖部分設(shè)置三層土工格柵，以下路堤每2 m設(shè)置一層土工格柵，搭接寬度為0.2 m，用鐵絲綁扎連接。土工格柵采用φ8鋼筋彎制成u型鉚釘錨固，錨釘間距為1 m，錨固長度不小于0.65 m。路面底超挖部分以下路堤的土工格柵采用外側(cè)反包搭接，搭接長度1.5，如遇到臺(tái)階，搭接長度為2.5 m。

2.2 增強(qiáng)補(bǔ)壓措施

為確保路堤安全穩(wěn)定和減小路基沉降變形，基底清理完畢后，采用重型壓路機(jī)碾壓處理，基底壓實(shí)度保證不小于90%，路堤每填筑2 m采用沖擊碾壓，對(duì)路堤進(jìn)行增強(qiáng)不壓，填筑至路槽底10 cm時(shí)，采用沖擊式壓路機(jī)進(jìn)行路床增強(qiáng)補(bǔ)壓。沖擊遍數(shù)以前后兩遍沉降變形量控制在允許范圍內(nèi)為止。采取沖擊碾壓最大限度加速路基沉降，大大降低路基后期沉降變形風(fēng)險(xiǎn)，確保路基穩(wěn)定安全可靠。

2.3 加強(qiáng)邊坡防護(hù)及完善排水系統(tǒng)

路基防護(hù)堅(jiān)持“安全、環(huán)保、和諧、綠色”原則，在滿足安全的前提下盡量選用環(huán)保、綠化的型式，突出植被護(hù)坡綠化功效。路基土路肩邊緣、坡腳及坡頂?shù)绕侣首兓c(diǎn)應(yīng)在施工時(shí)結(jié)合原有地勢予以削成圓弧形，與自然環(huán)境融為一體，提供良好的視覺效果。

根據(jù)邊坡高度，路基一級(jí)邊坡坡率采用1∶1.5，二級(jí)邊坡及其以上采用1∶1.75，每級(jí)邊坡設(shè)置2 m平臺(tái)，采用工程防護(hù)與綠化有機(jī)結(jié)合方式進(jìn)行邊坡有效防護(hù)，完善坡底排水溝、平臺(tái)截水溝、坡頂截水溝及急流槽，實(shí)現(xiàn)整個(gè)排水系統(tǒng)有機(jī)銜接及暢通，將坡面水排至路基范圍外，確保邊坡穩(wěn)固，綠化美觀。

2.4 設(shè)置護(hù)腳支擋結(jié)構(gòu)物

高路堤一般位于山間洼地、沖溝中，根據(jù)地質(zhì)條件、路基填料及地面橫坡等情況，對(duì)各段高路堤進(jìn)行穩(wěn)定安全驗(yàn)算。保證路基穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求F≥1.25。根據(jù)穩(wěn)定驗(yàn)算情況可采用設(shè)置擋土墻等支擋構(gòu)造物或設(shè)置反壓護(hù)道等方法保證路基穩(wěn)定性，同時(shí)為保證路堤安全穩(wěn)定和減小不均勻沉降，采用沖擊碾壓和強(qiáng)夯法對(duì)路基進(jìn)行增強(qiáng)補(bǔ)壓。在路基內(nèi)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)狀排水滲溝及時(shí)排疏路基內(nèi)水分，保持路基干燥。

3 結(jié) 論

(1)在荷載作用下，路基隨高度增加，豎向變形呈逐漸增大趨勢，并對(duì)上路堤范圍豎向變形影響較大，路基豎向變形由中部向兩側(cè)呈減小趨勢。

(2)因水分遷移致使路基土體抗剪切強(qiáng)度下降，在一定時(shí)間內(nèi)，路側(cè)積水距離與路基沉降變形量成反比，積水附近的路基沉降變形量最大，隨時(shí)間推移，路基豎向變形及水平位移將增大。

(3)對(duì)高路堤填筑時(shí)，填筑每2 m后采取增強(qiáng)補(bǔ)壓措施增大路基土體壓實(shí)度，可有效降低路基后期豎向沉降變形量，提高路基穩(wěn)定安全系數(shù)。

(4)高填方路基填挖交界處采取路堤每隔2 m設(shè)置一層土工格柵，提高路基豎向抗變形能力，有效降低路基豎向沉降變形量，保證路基穩(wěn)定可靠。

(5)路基邊坡有效防護(hù)及保證路基排水系統(tǒng)完善暢通對(duì)路基穩(wěn)定性具有極其重要的作用。