高速公路拓寬路基差異沉降研究

張 骉

(中咨華科交通建設技術有限公司，北京 100195)

0 引 言

隨著基礎交通網絡的日益完善,高速公路的建設規模日益擴大,施工質量控制也更加嚴格。但由于交通量的快速增長、設計理念落后等原因,使得原有道路的通行能力無法滿足需求,從而導致交通擁堵事故頻發,影響行車安全性和舒適度。鑒于此,需要對原有的高速公路進行拓寬處理,而控制新老路基間的不均勻沉降是高速公路改擴建的核心內容之一。但是,工程人員在開展高速公路拓寬路基設計時,仍以工程類比法為主,對新老路基間的差異沉降理解不深刻。因此,研究高速公路拓寬路基差異沉降機理、變形規律及處治措施具有十分重要的工程意義。

1 高速公路拓寬路基沉降機制及計算理論

1.1 新老路基差異沉降機制

路基沉降變形大小與加寬形式、填料本身和地基土的壓縮性、外部荷載密切相關。公路運營期間,老路基受到行車荷載、自身重力的作用發生固結變形,土體孔隙內的水和空氣排出,土體體積減小,路基工后沉降持續增加直至穩定。公路拓寬后,新填筑路基的沉降一般小于老路路基沉降。

在高速公路拓寬期間,老路基會發生3次沉降:第一次沉降是老路基在自身荷載下的沉降。如果公路運營時間較長,老路基固結基本完成,此時沉降約等于0;第二次沉降是新路基填筑對老路基產生的附加應力所引起的沉降;第三次沉降路基擴寬后,老路基受車輛荷載和新路基附加應力共同作用所導致的沉降。新路基會發生2次沉降:第一次沉降是新路基在分層填筑壓實過程中發生的瞬時沉降和主固結沉降;第二次沉降是新路基在車輛荷載作用下的工后沉降。

1.2 新老路基差異沉降計算

路基填料及地基土均屬于彈塑性變形材料,可采用摩爾-庫侖本構模型來模擬公路改擴建路基的變形特性。該模型所需參數簡單,計算結果的精確度主要受到材料的黏聚力和內摩擦角影響,且偏保守,在巖土工程分析中得到了應用廣泛。摩爾-庫侖的破壞函數可選擇有效應力法,公式如下:

τf=σtanφ+c

τf=σ′tanφ′+c′=(σ-u)tanφ′+c′

式中:τf為抗剪強度;c、φ為黏聚力和內摩擦角;c′、φ′為有效黏聚力和有效內摩擦角;σ為法向應力;σ′為有效法向應力。

2 高速公路拓寬路基差異沉降特性

隨著計算機技術飛速發展,越來越多的公路改擴建路基差異沉降開始采用有限元分析法計算。擬選擇有限元軟件MIDAS GTS建立計算模型,依托某山區公路來分析加寬寬度、路基填料公路改擴建路基沉降特性的影響。

2.1 工程概況

某高速全長24.5 km,路線起訖樁號為K6+480-K30+980,建設標準為雙向四車道,設計速度100 km/h。公路沿線地勢平坦,填土高度小于8 m,填方坡率取1∶1.5,填料采用碎石土。地基土以強風化砂巖和中風化砂巖為主,其承載力滿足路基填筑要求。根據勘察報告和現場試驗,碎石土容重取20.5 kN/m3、黏聚力取5 kPa、內摩擦角取35°、彈性模量為40 MPa;強風化砂巖容重取22 kN/m3、黏聚力取24 kPa、內摩擦角為26°,中風化砂巖容重取24 kN/m3、黏聚力取35 kPa、內摩擦角為40°。

該高速公路老路基寬26 m。現在要對老路進行雙側加寬建設,加寬寬度為8 m,填筑高度為6 m,加寬部分的邊坡坡率與老路邊坡相同。

2.2 路基二維計算模型

(1) 基本假設。公路是帶狀結構物,路基沉降計算屬于平面應變問題的范疇,故建立二維計算模型。同時,該公路運營時間較長,老路基的固結基本完成,初始位移場設為零,路基自重及行車荷載采用等效土柱來模擬。

(2) 邊界條件。由于地下水位較低,對路堤填筑影響較小,將公路新老路基的模型底部設為不透水邊界,并對其X方向、Y方向、Z方向完全約束;路基頂部和邊坡坡面屬于自由邊界條件,可發生豎向壓縮和水平位移,且新老路基間接觸為完全連續接觸;地基進行X方向約束,只產生豎向壓縮變形。

(3) 網格劃分。由于路基兩側對稱,建立半幅路基模型即可,如圖1所示。路基模型的網格劃分采用四邊形單元,同時為了提高模型計算精確度,新老路基結合位置的網格進行加密處理,網格尺寸取1 m,其他部分網格均取2 m,共劃分出單元3 824個,節點4 568個。

圖1 老路基有限元模型

2.3 加寬路基不均勻沉降影響因素

(1) 加寬寬度的影響。舊路基高取6 m,單側加寬寬度取6 m、8 m、10 m和12 m。改擴建路基模型建成后,在路基頂面和地基土頂面每隔1 m設置一個變形監測點,得到各加寬寬度下路基及地基土的總變形,如圖2所示。

圖2 加寬寬度對路基變形的影響

圖2表明:在老路中心附近,路基頂面變形為負值,說明老路基受到新路基的側向擠壓而隆起。當距離老路中心超過5 m時,各加寬寬度下路基頂面沉降變形均隨著距老路中心點距離的增加而增加。同時,路基加寬寬度越大,路基頂面沉降變形越大,則新老路基間的差異沉降也越大。單側加寬寬度為6 m、8 m、10 m、12 m的路基,其最大沉降量分別為5.98 cm、8.05 cm、9.97 cm、11.46 cm。

(2) 填料彈性模量的影響。改擴建路基施工期間,由于施工工藝的差別,可能導致沿線路段路基填料的彈性模量不同,從而影響了路基的抗變形能力。為了探究在路基填料的彈性模量對其沉降變形特性的影響,在單側加寬寬度取8 m,舊路基高取6 m的工況下,分別計算了填料原彈性模量±5 MPa和±10 MPa后各監測點的沉降變形規律,如圖3所示。

圖3 填料彈性模量對路基變形的影響

圖3表明:當與老路中心的距離小于16 m時,不同填料彈性模量下的路基頂面沉降基本無差別。反之,填料彈性模量增加,路基頂面沉降會降低,但降低速率會逐漸變緩。

彈性模型為30 MPa、35 MPa、40 MPa、45 MPa、50 MPa時的路基頂面最大沉降分別為8.48 cm、8.05 cm、7.88 cm、7.78 cm、7.74 cm。以填料彈性模量30 MPa對應的路基沉降為計算基準,則彈性模量每增加5 MPa,路基頂面最大沉降降低率為5.1%、2.1%、1.26%、0.51%。這說明新路基填料的彈性模量達到某一臨界值后,繼續提高彈性模量對路基變形的改善效果較差。

3 高速公路拓寬路基沉降處治措施

3.1 提高路基壓實度

相關學者研究成果表明,高速公路改擴建之后新路基壓實度一般會比舊路基提高1%左右。提高路基壓實度,能確保土顆粒之間的結合更加緊密,減小土體孔隙率和壓縮系數。在反復行車荷載作用下,能減小新路基在施工結束后的壓縮變形量,降低新老路基間的差異性沉降,提高路基的承載性能和整體穩定性。

3.2 鋪土工格柵

在高速公路拓寬路基鋪土工格柵,能夠提高土體的抗剪強度和抗壓強度、降低其壓縮性,加固機制如下:土工格柵表面粗糙,呈凹凸不平的狀態,可以和土顆粒很好地結合在一起,相互作用下不至于輕易脫離,兩者之間的相互作用主要體現為摩擦力和咬合力的提高。同時,土顆粒和土工格柵會產生“界面應力”限制土工格柵的相對滑動,使得土工格柵必然會承受一定的拉應力。由于土工格柵的抗拉性能良好,可以為土體分擔一部分的外部荷載,相當于減少了土體本身的荷載。

3.3 采用輕質填料

輕質材料一般重度較小,高等級公路加寬路基采用輕質材料能有效地降低作用在地基上的荷載,從而減小土體中的附加應力和沉降變形。常用的路堤輕質填料有二灰(石灰、粉煤灰)輕質填料和泡沫混凝土輕質填料,前者適用于老路沉降未穩定,且對環境敏感度較低的路段;后者適用于沉降速率大,對路基震動有特殊要求的地段。同時,在填筑輕質材料路段和一般路基之間要開挖臺階設置過渡段,臺階高度在0.5～1.0 m,坡比宜為1∶1～1∶2,以提高路基的整體穩定性。

4 結 論

在分析高速公路拓寬路基差異沉降機制的基礎上,利用MIDASGTS軟件分析了其沉降變形特性和處治措施,主要得到以下結論:

(1) 拓寬路基差異沉降與填料和地基土的壓縮性、外部荷載等因素密切相關,可用摩爾-庫侖理論來計算。

(2) 在道路中線附近,老路基受到新路基的側向擠壓而隆起,其他位置沉降是隨著距道路中線距離的增加而增加。

(3) 隨著路基填料彈性模量的增加減緩,路基沉降總量呈降低趨勢,但降低速率逐漸變緩。

(4) 高速公路差異沉降處治措施可采用提高路基壓實度、鋪土工格柵、輕質填料等手段。