咸寧地區(qū)新舊路基換填變形控制研究

程 桂 萍

(中國(guó)鐵建港航局集團(tuán)有限公司，廣東 珠海 519070)

0 引言

在過(guò)去的幾十年中，隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的興起，我國(guó)的公路里程大幅度增加，截至2019年，中國(guó)的公路總里程已達(dá)484.65萬(wàn)km。但是20世紀(jì)時(shí)期修建的高速公路，受到當(dāng)時(shí)落后的施工技術(shù)等因素的限制，這些道路目前由于一些設(shè)計(jì)問(wèn)題及各種道路病害從而導(dǎo)致其在今天的運(yùn)輸能力越來(lái)越差，已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)的車輛通行需求，因此，為實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸新的跨越式發(fā)展，我國(guó)接下來(lái)面臨的公路改擴(kuò)建工程會(huì)越來(lái)越多。在進(jìn)行舊路改造的工程中，由于長(zhǎng)年的固結(jié)變形，舊路路基的沉降早已完成，除非發(fā)生外界因素否則幾乎不會(huì)再發(fā)生變形。而在換填舊路后，由于新路基的固結(jié)會(huì)產(chǎn)生新的沉降，會(huì)導(dǎo)致新舊路基表面產(chǎn)生不均勻的沉降變形，當(dāng)變形超出一定范圍時(shí)，會(huì)導(dǎo)致新舊路基的表面產(chǎn)生縱向裂縫，進(jìn)而影響道路的正常使用功能[1,2]。根據(jù)國(guó)內(nèi)外已有的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，由于新舊路基換填差異沉降從而導(dǎo)致的路基路面變形和開(kāi)裂的現(xiàn)象十分常見(jiàn)，因此，新舊路基的差異沉降的處理成為公路改擴(kuò)建工程中一個(gè)非常重要的問(wèn)題[3-6]。

針對(duì)軟土地區(qū)路基擴(kuò)改，國(guó)內(nèi)外雖有一定的研究，但由于大部分研究仍然將該路基擴(kuò)改簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)單兩種堆積體進(jìn)行研究，未考慮邊界面、時(shí)間效應(yīng)和多重附加荷載的影響。因此，本文考慮新舊路基換填后通過(guò)碾壓達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，新舊路基的沉降變形、相互作用，通過(guò)離散元軟件對(duì)新舊路基的協(xié)同工作性能進(jìn)行研究，為軟土地區(qū)公路拓寬改造方案及處治對(duì)策提供依據(jù)。

1 工程實(shí)例

1.1 工程概況

本工程為S356一級(jí)公路橫溝鎮(zhèn)白毛村至橫溝鎮(zhèn)楊畈村段項(xiàng)目土建工程施工第01標(biāo)段，位于湖北省咸寧市咸安區(qū)橫溝鎮(zhèn)內(nèi)，公路等級(jí)為一級(jí)公路，路基主要為整體式路基，整體式路基寬度20 m，其中部分路基分離，分離式路基寬度19.50 m，公路線全長(zhǎng)5.6 km。主要工程量有路基挖土方約73 640.2 m3；路基填筑利用土方約46 136.2 m3，利用石方(開(kāi)山毛渣)約20 069.6 m3；路基水穩(wěn)層約2.55萬(wàn)m3；路面瀝青層約1.55萬(wàn)m3；排水工程約5 597.7 m；橋涵共7道，圓管涵5道、倒虹管2道；綠化工程4 461 m2；安全防護(hù)工程10 705.2 m；本標(biāo)段同時(shí)包含K0+000～K3+200范圍內(nèi)的路面瀝青加輔工程施工。

1.2 工程地質(zhì)條件

本工程所在區(qū)域地處鄂南幕阜山和長(zhǎng)江之間的過(guò)渡帶，屬侵蝕剝蝕壟崗地貌，區(qū)內(nèi)海拔約19 m～56 m，地勢(shì)低緩，溝谷切割較淺，切割深度在10 m～40 m之間，相對(duì)高差不大，斜坡坡角多50～150，局部可達(dá)100～200；水塘溝渠較多，房屋建筑較少，多為2層～3層高的民房，周邊植物茂密，多為雜木、竹林、苗圃和茶園。沿線基巖一般埋藏較淺，局部直接裸露，風(fēng)化嚴(yán)重，多為殘積物掩蓋；谷底有較厚的洪積物、坡積物或沖積物，局部分布有薄層淤泥等；在邊緣帶常有結(jié)構(gòu)松散的新近堆積物。沿路線的地層為第三系～白堊系的砂巖、礫巖，并覆蓋第四系的粉質(zhì)黏土或含碎石粉質(zhì)黏土，厚度約為0.5 m～3 m，在此之下大部分為全風(fēng)化砂巖和礫巖，局部有少許頁(yè)巖出露。

1.3 水文地質(zhì)條件

本工程區(qū)氣候溫和，降水充沛，日照充足，四季分明，無(wú)霜期長(zhǎng)。區(qū)內(nèi)地下水補(bǔ)給來(lái)源有大氣降水的下滲，溝渠、溪溝及灌溉入滲補(bǔ)給。松散巖類孔隙水主要接受大氣降水補(bǔ)給；基巖裂隙水則接受大氣降水及上部地層松散巖類孔隙潛水的下滲補(bǔ)給。上層滯水主要賦存于填土層，孔隙潛水賦存于第四系地層，主要受大氣降水補(bǔ)給，水量季節(jié)性變化明顯，一般較貧乏，勘察期間測(cè)得地下水埋深0.5 m～1.6 m。地下水徑流及排泄與臨近的水網(wǎng)有互為補(bǔ)給和排泄關(guān)系，季節(jié)性明顯。表層毛細(xì)水、薄膜水蒸發(fā)是其主要的排泄形式，徑流量很小。

綜上所述，勘察區(qū)水文地質(zhì)條件比較簡(jiǎn)單。地下水與溝塘、溪溝等地表水體具有較強(qiáng)的互補(bǔ)性，豐水期地下水上升，補(bǔ)給周圍的地表水體，枯水期則反之，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋具有輕微的腐蝕性。

2 數(shù)值模擬

本文用顆粒流軟件對(duì)新舊路基替換變形過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)新舊路基的替換過(guò)程及碾壓之后路基沉降進(jìn)行數(shù)值分析。

2.1 模型建立

為了研究新舊路基替換過(guò)程中路基內(nèi)部變形規(guī)律，做出如下顆粒流模型假定：1)采用二維數(shù)值模型來(lái)模擬軸對(duì)稱新舊路基替換過(guò)程。2)顆粒間的接觸模型是平行黏結(jié)模型，而墊層采用線性模型，二維顆粒為圓形。3)在新舊路基替換之后的路面碾壓過(guò)程中，模型不考慮顆粒破碎的情況。4)模型中的顆粒均為各向同性的均質(zhì)材料，采用“墻”作為模型中的剛性邊界。5)模型采用給定的初始空隙率均勻生成最大、最小粒徑之間的顆粒。本文模型設(shè)計(jì)尺寸為長(zhǎng)為20.0 m，高為5.33 m。新舊路基共分為4層：瀝青：厚度0.1 m，重度12 kN/m3;混凝土：厚度1.24 m，重度24 kN/m3；墊層：厚度1.33 m，重度18.8 kN/m3；基層：厚度2.66 m，重度18.2 kN/m3。采用臺(tái)階式替換原有開(kāi)裂的路基層。

新舊路基的參數(shù)的選取如下：顆粒最大粒徑為200 mm；顆粒最小粒徑為20 mm；摩擦系數(shù)為0.5；顆粒之間的法向剛度為8.5 MN/m，且顆粒法向剛度與切向剛度的比值為1.0。建立新舊路基替換顆粒流模型，如圖1所示，固定左右墻體，即墻體的運(yùn)動(dòng)速度為零，為了更好地模擬新舊路基替換的過(guò)程，采用fish語(yǔ)言進(jìn)行伺服系統(tǒng)來(lái)讓模型達(dá)到理想的模擬狀態(tài)。

顆粒流模擬過(guò)程分析：1)進(jìn)行重力平衡，進(jìn)行土體固結(jié)；2)進(jìn)行伺服系統(tǒng)，達(dá)到理想狀態(tài)；3)施加荷載達(dá)到指定標(biāo)高，獲得路基內(nèi)部規(guī)律；4)進(jìn)行新舊路基替換；5)重新施加荷載，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高；6)提取相關(guān)結(jié)果，進(jìn)行新舊路基替換結(jié)果分析。

2.2 模型結(jié)果分析

為了研究新舊路基替換過(guò)程中路基中部變化規(guī)律，需要在顆粒流模型中設(shè)置測(cè)量圓來(lái)獲得顆粒之間的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)、接觸力、孔隙率、配位數(shù)、顆粒位移場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)的變化規(guī)律，如圖2所示。

為了更好地了解新舊路基換填的內(nèi)部顆粒變化規(guī)律，通過(guò)模型中的三個(gè)測(cè)量圓測(cè)得未換填與換填之后的孔隙率、配位數(shù)、位移場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)的變化指標(biāo)。

新舊路基換填的顆粒孔隙率如圖3所示，隨著達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高的過(guò)程中，路基內(nèi)部孔隙率變得越來(lái)越小。初始狀態(tài)下，換填后路基的孔隙率比未換填路基的孔隙率要小，路基邊坡的孔隙率相比較而言大，表明換填后路基達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)孔隙率更低，更加緊實(shí)。

配位數(shù)是評(píng)價(jià)顆粒流分析中顆粒體系接觸良好的指標(biāo)，配位數(shù)的值越大，說(shuō)明顆粒接觸越好。由圖4可知，越靠近路基中心，顆粒的配位數(shù)越大，換填后路基的配位數(shù)比未換填路基的配位數(shù)大，說(shuō)明換填后路基顆粒之間接觸更加充分。同時(shí)，路基邊坡區(qū)的配位數(shù)相對(duì)而言較小。

通過(guò)在路基內(nèi)部設(shè)置三個(gè)測(cè)量球來(lái)探究新舊路基換填過(guò)程中顆粒沉降規(guī)律，測(cè)量球的位置分別距離路面為4.0 m,2.0 m以及0.5 m。圖5為三個(gè)測(cè)量球在新舊路基換填的沉降圖，由圖5可知，在達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，新舊路基換填的沉降基本上相等，在靠近路面的沉降速度基本一致，但靠近路面4.0 m的沉降速度出現(xiàn)差別，換填后路基的沉降速度由小變大，未換填路基的沉降速度由大變小。

圖6為新舊路基換填的模型內(nèi)部應(yīng)力圖，由圖6可知，在路面達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，未換填路基的應(yīng)力在靠近路基中心的應(yīng)力偏大，而靠近路基邊坡的換填后路基的應(yīng)力偏大，這說(shuō)明換填后填土對(duì)路基邊坡壓力過(guò)大。

3 結(jié)語(yǔ)

本文利用顆粒流數(shù)值軟件對(duì)新舊路基換填過(guò)程中進(jìn)行沉降變形規(guī)律研究。結(jié)論如下：

1)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，換填后路基的孔隙率比未換填路基的孔隙率低，可以得出換填后路基的顆粒壓密效果越好。

2)換填后路基的配位數(shù)比未換填路基的配位數(shù)大，換填后路基更加密實(shí)。

3)新舊路基換填達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)最終沉降基本一致，但是遠(yuǎn)離路面的沉降速度由快到慢。

4)靠近路基中心，換填后路基的應(yīng)力比未換填路基應(yīng)力小，而在路基邊坡?lián)Q填后路基的應(yīng)力大。