雙側加寬公路路基路面的變形控制

黃 振

(江蘇緯信工程咨詢有限公司,南京 210000)

拓寬公路時,新路基與舊路基的結合處在不同方向上會出現不同程度的變形,造成路基路面變形[1]。雙側加寬是老路加寬的主要方式,可保持原有線型,優勢明顯[2]。目前,雙側加寬公路路基路面的變形控制手段主要包括臺階開挖、地基補強、強化壓實等。本研究采用有限元模型,對雙側加寬公路路基路面變形特征進行模擬,分析了不同變形控制手段的應用效果,以提升對雙側加寬公路路基路面的變形控制能力。

1 雙側加寬公路路基路面有限元模型

該工程為某大橋路面拓寬改造項目。為保留現狀,將其作為一級公路的北側一幅橋梁,在其南側新建一幅12.5 m的橋梁作為一級公路的南側一幅橋梁,橋頭兩側接線均在南側進行拓寬。地層中有大量的雜填土與素填土,主要分布于場地表層及河堤處,土質較松散,中偏高壓縮性,工程地質條件較差。地層中含有粉質黏土,抗剪強度低,為新近沉積土。對雙側加寬公路路基路面有限元模型作出了以下假設:①假設加寬公路路基路路面模擬問題為平面應變問題。②路基路面填土與地基土均視為理想化的各向同性的彈塑性體。③兩側路基施工進度相同。④路基填筑每層等效計算厚度為1.0 m。

為探討雙側加寬公路路基路面的變形規律,設定有限元模型尺寸如圖1所示。

圖1 雙側加寬公路路基路面結構模型Fig.1 Structure model of double widening highway subgrade pavement

路基填土與淤泥質黏土層采用D-P模型,粉質黏土層采用劍橋模型。根據公路橋涵設計通用規范的10.5 kN/m等效均布荷載要求,考慮到實際運行過程中難以避免車輛存在超載超限問題及新老路基路面的實際荷載情況,選擇采用不同等效均布荷載進行模擬,其中以往運營期與老路路基路面的交通荷載為12 kN/m,新路部分為15 kN/m。

因為假設為平面應變問題,網格劃分單元設定為1 m,通過CPE4R對路基路面材料進行模擬,采用縮減積分與沙漏控制模式,路基土同樣采用CPE4R,但采用雙線性位移與雙線性孔壓,得到的模型網格劃分如圖2所示。

圖2 模型網格劃分Fig.2 Model meshing

圖3 不同地基強度下路基沉降變化Fig.3 Variation of subgrade settlement under different foundation strength

2 參數選取及結果分析

2.1 參數選取

雙側加寬公路路基路面的變形主要分為土體變形與差異變形,前者是施工過程中因固結期較短而導致土體內部水分與氣體受到排擠后土體形成空腔,在受到外力作用時容易出現壓縮變形現象。后者的成因較為復雜,老路路基路面的路堤填料級配存在差異,會出現次固結變形,而新老路基結合處容易因為新老路基的沉降速度差異、壓實度較低或強度不均等問題而出現不均勻沉降,因此在對雙側加寬公路路基路面變形進行模擬時需考慮老路基的差異變形及結合處的沉降差異。軟土是天然孔隙不小于1且天然含水率在液限以上的細粒土,相比于一般土壤,壓縮性更高,強度相對較低。在選取參數時參考了相關研究及公路擴建項目的地勘資料,探討參數差異對雙側加寬公路路基路面變形的影響[3]。

路基填土采用D-P模型,關鍵材料參數如下:材料重度γd為18.3 kN/m3、彈性模量E為40 MPa、泊松比μ為0.4、膨脹角ψ為28.7°、流動應力比k為1。在勘察報告中并未發現傾角β,采用摩爾-庫倫模型參數內摩擦角φ計算傾角β,具體表達式如下:

(1)

材料硬化參數如表1所示:

表1 路基填土材料硬化參數

淤泥質黏土采用D-P模型,關鍵材料參數如下:材料重度γd為17.6 kN/m3、彈性模量E為2.5 MPa、泊松比μ為0.4、膨脹角ψ為35.3°、流動應力比k為1、初始孔隙比e0為1.2、滲透系數δ1為0.00012 m/d,傾角β的計算方式與路基填土相同,材料硬化參數如表2所示。

表2 淤泥質黏土材料硬化參數

在初始條件設定方面,初始有效應力主要取決于三方面因素,分別為地基土層厚度、地下水位高度及土體材料容重。而初始孔隙壓力主要取決于兩方面因素,即地基土層厚度與地下水位高度。雙側加寬公路路基路路面模型的上述三個主要因素均已給定,且兩種初始條件保持相同,不會造成模型結果的偏差。通過實驗測定初始孔隙比,并以恒定孔隙比分布在該層材料中。

粉質黏土層采用劍橋模型,主要模型參數包括塑性體積模量對數λ、體積模量的對數κ與應力比M,這些參數均可通過常規三軸實驗獲得。從地勘資料中查找到土體壓縮指數Cc、回彈指數Cs及內摩擦角ω,從而計算出上述參數,最終獲取的材料參數如下:材料重度γd為17.8 kN/m3、體積模量的對數κ為0.02、泊松比v為0.31、應力比M為1.27、塑性體積模量對數λ為0.07、流動應力比K為0.00006 m/d、初始孔隙比e0為1.02、孔隙比e1為2.2。

2.2 不同參數模型的結果對比

為了保證研究結果的可靠性,分析不同材料參數下的雙側加寬公路路基路面變形情況,具體見表3。通過模型結果對比發現,對模型結果的影響程度由強到弱依次為土體彈性模量、滲透系數、初始孔隙、剪脹角,鑒于此,主要從土體強度與滲透系數兩方面探討不同參數模型的結果差異。

表3 不同材料參數設計

當土體彈性模量不同時,由分析結果可知,隨著彈性模量的逐漸加大,路基頂的總沉降有了明顯下降,當彈性模量為20 MPa時,路基頂面總沉降始終保持在2 cm以內,隨著與中心線距離的加大,整體上保持沉降上升趨勢。相比之下,隨著彈性模量的逐漸加大,路基頂面工后沉降雖然同樣表現出隨著土體彈性模量加大而沉降下降的規律,但與中心線距離的變化并不會顯著影響沉降。整體來看,土體的彈性模量對路面沉降有著非常重要的影響。

當滲透系數不同時,不同滲透系數對不同路的沉降影響具有明顯差異性,對于老路而言,隨著滲透系數的增大,路基沉降有了明顯增大,而對于新路而言,滲透系數由小變大引起了路基頂面沉降的先增大后減小,具體見圖4。

圖4 不同滲透系數下路基沉降變化Fig.4 Variation of subgrade settlement under different permeability coefficients

2.3 雙側加寬公路路基變形規律

隨著填筑高度的增加,地基表面豎向變形曲線整體呈現反向駝峰狀,豎向位移從向上1.22 cm上升到向下2.88 cm后,逐漸開始下降到2.72 cm,到填筑結束后,變為向下2.84 cm。主要原因是新路壓迫老路地基使其出現拱起變形,而隨著填筑結束,路基整體向下沉降帶動了老路中心的下降。路基頂的變化與地基沉降變化類似,從填筑第二層開始,豎向位移從向上1.22 cm變為向下3.02 cm,老路路基頂邊緣部位豎向位移則從向上0.52 cm轉變為向下8.12 cm。沉降隨著工后時間的延長而逐漸增大,固結沉降主要形成在前5年,之后10年內不會出現過大的沉降量變化,基本可以完成固結沉降。新路基坡腳處正下方地基水平位移在12 m以內會隨著深度的增加而增加,但之后會逐漸減小并趨于穩定。在5 m深時出現了沉降最大值,達到5.44 cm。在工后15年中又逐漸降低為4.36 cm。當距地表深度達到12 m時,正處于淤泥質黏土層與粉質黏土層的分界處,此時新路填筑對地基水平位移的影響深度一般不會高于兩層土層的分界,超過分界處以后,新路填筑無法再對地基水平位移造成明顯的影響。

3 不同處理方式的效果分析

3.1 臺階開挖

高速公路一級填方邊坡坡比為1∶1.5,為了更好地清除表面松散土壤,提高新舊公路結合度,需對舊公路路基邊坡進行削坡處理,再進行臺階開挖。在臺階開挖處理中通常需保證3%的傾角,其中每一級臺階的寬度應為1 m,高度應保持在1.5 m左右,以有效避免新舊公路結合處出現較為明顯的沉降變形。作業過程中需在開挖臺階處鋪設土工格柵,防止施工作業地面出現塌陷,有效清除舊公路路邊松散填土,保證后續施工作業期間路基的穩定性,增加新舊路基的接觸面積,提高二者結合部位的摩擦阻力及抗剪能力,為后續施工提供可靠的布設平臺。

臺階開挖施工作業中需對高、寬及傾角參數進行設計。目前常用的邊坡臺階開挖方式有標準式、內傾式、豎傾式及內挖式。幾種不同類型的施工作業方式可滿足大多數的作業要求。根據實際施工要求及施工標準選擇內傾式臺階開挖方式,根據《公路路基設計規范》要求對臺階寬高比進行嚴格設置,常見的設置比例原則如表4所示。

表4 公路路基寬高比設計原則

臺階開挖過程中選擇由下向上的施工作業方式,以保證路面交通順暢,為施工作業創造足夠的空間,便于各類機械設備的應用,為進一步確定臺階尺寸,對比分析了高度相同下寬度不同臺階和寬度相同下不同高度臺階的沉降與水平位移變化情況。臺階開挖見圖5。

圖5 路基邊坡臺階開挖Fig.5 Subgrade slope step excavation

相同高度條件下,當臺階高度為1 m時,分別對比分析了寬度為0.5 m、0.8 m、1.0 m、1.5 m的臺階開挖效果。測試結果表明,當臺階高度保持一致時,臺階寬度越大路基頂工后沉降越小。通過結果對比發現,相較于寬度最小的0.5 m臺階寬度,0.8 m、1.0 m和1.5 m臺階寬度下路基沉降數值明顯減小,整體變化基本保持在7%～25%,說明在相同高度條件下,臺階寬度更大有利于降低路基沉降,整體穩定性更好。相同條件下,臺階寬度越大,新舊路基邊坡水平位移變化越小,在高度條件相同的情況下,臺階寬度越大其水平方向越穩定。

在臺階寬度相同但高度不同的對比測試中,確定固定寬度為1.0 m,臺階高度分別設置為0.6 m、1.0 m、1.5 m、2.0 m,對比測試結果如表5所示。

表5 相同寬度下不同高度臺階沉降與水平位移結果

由表5結果可知,舊路中心、舊路肩邊緣、新路肩邊緣及新路基坡腳4個測試點位上的結果均呈現為高度越大沉降變化與水平位移數值增大的變化趨勢。由此確定在新舊工作雙側加寬處理邊坡臺階開挖設計中,高度相同時,臺階寬度越大越好。寬度相同時,臺階高度越小越好,上述條件都可保證路基水平位移與下沉變化較小,更易于保證施工穩定。實際施工作業中,對上述條件需進行合理控制,考慮到舊路路肩位置容易受到車輛荷載作用的影響,而坡腳位置容易受到雨水沖刷的影響,為保證整體的穩定性,建議在新舊公路臺階開挖施工中采用1∶1.25～1∶1.5高寬比,即高度控制在0.8～1 m,寬度控制在1～1.5 m。

3.2 豎向樁土復合地基

按照上述臺階高寬比建立路堤模型,在基礎模型中豎向增強體樁體直徑為0.5 m,長度為11.5 m,間距為1.0 m。在對比測試中對樁數、樁徑、樁間距及樁長進行分析。

在舊路路基臺階開挖后的坡腳兩側分別設置3根、6根、9根樁體。測試對比發現,樁數越多,舊路路基沉降越小,而3根與6根相比,二者值相差不大,故采用6根可滿足經濟成本與沉降控制的雙重要求。布設6根樁體能夠很好地控制新老路基水平位移,各層水平位移可達到均衡狀態。

在樁徑測試中分別對0.5 m、0.7 m、1.0 m、1.4 m直徑的樁進行對比分析,結果發現,樁徑越大,新舊路基沉降越小,隨著樁徑數值的增加,舊公路的水平位移下降明顯,但對于新公路路基的水平位移影響作用并不明顯。

樁間距測試中分別對1.0 m、1.5 m、2.0 m、2.5 m的樁體間距進行對比分析,測試結果表明,樁間距越小新舊公路路基沉降越小,當樁間距>2.0 m,舊路基的整體沉降變化作用不大,說明樁間距過大效果并不明顯。在水平位移影響上,樁間距越小,新公路路基水平位移越小。綜合考慮成本與沉降控制效果,樁間距控制在2.0 m時最佳。

樁土復合地基對比測試中,樁長的變化會直接影響樁體與土之間的接觸面積,導致整體側摩擦阻力變化較大。樁體越長表明其質量越大,路基沉降再次影響下反而會增加。分別測試了長度為3.0 m、6.0 m、9.0 m、12 m樁體的沉降變化與水平位移情況,而新路填筑對粉質黏土層的水平位移較小,因此在設置中并未將樁體直接伸入到粉質黏土層中。結果表明,樁體越長新舊路基沉降越小,且隨著長度增加,路基沉降減小效果更加明顯,新舊路路基邊緣位置沉降減小效果最為明顯。在水平位移上,舊路路基中的樁體越長,水平位移越小。新路路基中的樁體越短則水平位移越小。

4 結論與建議

對公路擴建改造中的雙側路基路面變形特征進行分析,從新舊路基變形特征及路面拼接角度入手建立有限元分析模型,對雙側加寬公路路基變形問題進行探討,結合路基變形驗證分析要求,從臺階開挖和樁土復合地基兩側對不同處理方式進行對比分析。建議在新舊公路臺階開挖施工中采用1∶1.25～1∶1.5高寬比,即高度控制在0.8～1 m、寬度控制在1～1.5 m。在樁土復合地基處置措施中,為滿足施工經濟效益與施工效果要求,應布設6根樁體,將樁間距控制在2 m左右。