顾 亮 董伟智 孙 强

(1:吉林建筑大学交通科学与工程学院，长春 130118; 2:长春市城乡规划设计院，长春 130000)

0 引言

为克服高路堤的缺点，低路堤的广泛运用随之出现.研究显示，路基高度每降低0.5m，每公里可以减少用土1.8万m3；每降低1m，每公里永久性占地就能减少近5亩[1].因此,从节约成本、减少污染、尽量控制工后沉降的角度出发,如何优化高速公路的路基整体设计以及寻找一个合理的路基临界高度,已经引起普遍关注.

1 研究现状

我国目前的高速公路高路堤居多而低路堤较少.作者认为相比于高路堤而言，低路堤具有先天的优越性.研究结果表明，低路堤的优点包括：① 可减少占用土地，实现可持续发展，降低路基占地和取土用地；② 更适应原有的自然地形和人文环境；③ 工后沉降小，道路病害少；④ 利于高速公路今后的拓宽改造[2]；⑤ 施工较为方便，质量易于控制[3].因此，低路堤的研究与发展是有必要性的.

2 长春至农安辅道概况

本文依托珲乌高速长春至农安辅道开展研究，该工程始建于2008年末,于2011年4月交工，全长64公里，该辅道处于平原地区，结构物较少.所采用的路基填土类别:低液限粉质黏土，塑限:9.8，塑性指数10.5，最佳含水率为10.5%.

3 耦合模型研究

基本假设:① 路堤土体为均质;② 土体为线弹性体,产生微小变形,土颗粒不可压缩;③ 行车荷载使路基产生变形.

现场调查分析表明，路基中湿度及荷载的耦合效应客观存在，其耦合效应将直接影响季节活动层内的动态变化、路基的应力场和变形场的分布特性及路基稳定性.

3.1 应力场的基本方程

根据弹性力学知识路基土体应满足平衡微分方程,物理方程,几何方程,非饱和土应力场本构方程为:

式中,ε为法向应变;γ为剪应变;σ为法向应力;τ为剪切应力;ua为空隙气压力;uw为孔隙水压力;E为土的弹性模量;v为泊松比.

图1 网格划分

3.2 水分场的基本方程

根据介质力学的知识,得到土中水分运动的连续方程:

式中,θu为土体中未冻水的体积含量;D,k分别为土的扩散系数和导水系数.

3.3 耦合模型建立

本文应用Geosudio软件中自带的水分场与应力场耦合方程，其中计算参数如下：导水率为3×10-13θ9.0034cm/s；扩散率3×10-4θ3.0513cm/s;泊松比0.35；含水率10.5%.

在路基填筑完成后施加行车荷载,行车荷载采用标准轴载胎压0.707MPa.本模型以长春到农安为基础,通过大量室内试验得到的数据进行模拟.路堤填筑高度为1.5m,计算深度为6m,路基顶面宽度9m,坡度比为1∶1.5.耦合模型如图1所示.

3.4 耦合模型的数据分析

路基土水分的产生分为封闭式补给形势与开放式补给形势,所谓封闭式补给是指水分来自土体自身,而开放式补给则是指路基土中的水在水分迁移时得到来自地下水的补充.长农项目路线所经地区属中温带大陆性季风气候区,受西伯利亚和蒙古燥风影响,四季分明,冬季严寒漫长,春季干旱多风,夏季温暖短促,秋季晴朗温差大.该地区年平均气温4.5℃～6.8℃,极端最高气温36.9℃～39.5℃,极端最低气温-36.1℃～-39.8℃,所选试验段为低填路段,地基为淤泥质土且地下水位高,易产生水损等病害.

由图2，图3可知，路基在车辆荷载和自重应力作用下发生了一定程度的沉降.坡脚处由于水的堆积产生了较大变形.从路基的竖向变形可以看出，路基顶部承受的荷载较多且变形量最大.由图4可以看出,由于排水不畅导致路基中心的强度下降明显,造成破坏.

图2 路堤横向位移云图

图3 路堤竖向位移云图

图4 路基总应力云图

4 结论

(1) 由于土的特异性导致对其研究的复杂性、偶然性增加，但我们仍能从中找到规律,利用土的这些规律来预测将要产生的结果,以便预防病害的发生;水损对土的强度影响较大.由于北方地区的气候特点导致冰雪融化后，水会在坡脚处堆积造成坡脚强度的减少并导致位移增大，因此对坡脚的排水处置要有足够的重视.

(2) 路基的整体强度提高不足以保证工程质量的提高,在重视路基的同时，更应该注意地基的处理,用经济合理的方法来控制地基的含水量是一个可行的发展方向;

(3) 因为是低路堤,所以地基承受着一部分的路基自重及较多的车辆荷载.地基材料的强度也会影响整个工程的效果.

参 考 文 献

[1] 张 强,陈雨人.平原微丘区高速公路低路堤设计研究[J].北方交通,2006(2):3-4.

[2] 张江红,王书伏,丁小军.平原区高速公路合理降低路基填筑高度方案的探讨[J].公路,2005(1):40-41.

[3] 董 鹏.国内外低路堤应用研究[J].交通标准化,2011(10):204-206.