张 骉

(中咨华科交通建设技术有限公司，北京 100195)

0 引 言

随着基础交通网络的日益完善,高速公路的建设规模日益扩大,施工质量控制也更加严格。但由于交通量的快速增长、设计理念落后等原因,使得原有道路的通行能力无法满足需求,从而导致交通拥堵事故频发,影响行车安全性和舒适度。鉴于此,需要对原有的高速公路进行拓宽处理,而控制新老路基间的不均匀沉降是高速公路改扩建的核心内容之一。但是,工程人员在开展高速公路拓宽路基设计时,仍以工程类比法为主,对新老路基间的差异沉降理解不深刻。因此,研究高速公路拓宽路基差异沉降机理、变形规律及处治措施具有十分重要的工程意义。

1 高速公路拓宽路基沉降机制及计算理论

1.1 新老路基差异沉降机制

路基沉降变形大小与加宽形式、填料本身和地基土的压缩性、外部荷载密切相关。公路运营期间,老路基受到行车荷载、自身重力的作用发生固结变形,土体孔隙内的水和空气排出,土体体积减小,路基工后沉降持续增加直至稳定。公路拓宽后,新填筑路基的沉降一般小于老路路基沉降。

在高速公路拓宽期间,老路基会发生3次沉降:第一次沉降是老路基在自身荷载下的沉降。如果公路运营时间较长,老路基固结基本完成,此时沉降约等于0;第二次沉降是新路基填筑对老路基产生的附加应力所引起的沉降;第三次沉降路基扩宽后,老路基受车辆荷载和新路基附加应力共同作用所导致的沉降。新路基会发生2次沉降:第一次沉降是新路基在分层填筑压实过程中发生的瞬时沉降和主固结沉降;第二次沉降是新路基在车辆荷载作用下的工后沉降。

1.2 新老路基差异沉降计算

路基填料及地基土均属于弹塑性变形材料,可采用摩尔-库仑本构模型来模拟公路改扩建路基的变形特性。该模型所需参数简单,计算结果的精确度主要受到材料的黏聚力和内摩擦角影响,且偏保守,在岩土工程分析中得到了应用广泛。摩尔-库仑的破坏函数可选择有效应力法,公式如下:

τf=σtanφ+c

τf=σ′tanφ′+c′=(σ-u)tanφ′+c′

式中:τf为抗剪强度;c、φ为黏聚力和内摩擦角;c′、φ′为有效黏聚力和有效内摩擦角;σ为法向应力;σ′为有效法向应力。

2 高速公路拓宽路基差异沉降特性

随着计算机技术飞速发展,越来越多的公路改扩建路基差异沉降开始采用有限元分析法计算。拟选择有限元软件MIDAS GTS建立计算模型,依托某山区公路来分析加宽宽度、路基填料公路改扩建路基沉降特性的影响。

2.1 工程概况

某高速全长24.5 km,路线起讫桩号为K6+480-K30+980,建设标准为双向四车道,设计速度100 km/h。公路沿线地势平坦,填土高度小于8 m,填方坡率取1∶1.5,填料采用碎石土。地基土以强风化砂岩和中风化砂岩为主,其承载力满足路基填筑要求。根据勘察报告和现场试验,碎石土容重取20.5 kN/m3、黏聚力取5 kPa、内摩擦角取35°、弹性模量为40 MPa;强风化砂岩容重取22 kN/m3、黏聚力取24 kPa、内摩擦角为26°,中风化砂岩容重取24 kN/m3、黏聚力取35 kPa、内摩擦角为40°。

该高速公路老路基宽26 m。现在要对老路进行双侧加宽建设,加宽宽度为8 m,填筑高度为6 m,加宽部分的边坡坡率与老路边坡相同。

2.2 路基二维计算模型

(1) 基本假设。公路是带状结构物,路基沉降计算属于平面应变问题的范畴,故建立二维计算模型。同时,该公路运营时间较长,老路基的固结基本完成,初始位移场设为零,路基自重及行车荷载采用等效土柱来模拟。

(2) 边界条件。由于地下水位较低,对路堤填筑影响较小,将公路新老路基的模型底部设为不透水边界,并对其X方向、Y方向、Z方向完全约束;路基顶部和边坡坡面属于自由边界条件,可发生竖向压缩和水平位移,且新老路基间接触为完全连续接触;地基进行X方向约束,只产生竖向压缩变形。

(3) 网格划分。由于路基两侧对称,建立半幅路基模型即可,如图1所示。路基模型的网格划分采用四边形单元,同时为了提高模型计算精确度,新老路基结合位置的网格进行加密处理,网格尺寸取1 m,其他部分网格均取2 m,共划分出单元3 824个,节点4 568个。

图1 老路基有限元模型

2.3 加宽路基不均匀沉降影响因素

(1) 加宽宽度的影响。旧路基高取6 m,单侧加宽宽度取6 m、8 m、10 m和12 m。改扩建路基模型建成后,在路基顶面和地基土顶面每隔1 m设置一个变形监测点,得到各加宽宽度下路基及地基土的总变形,如图2所示。

图2 加宽宽度对路基变形的影响

图2表明:在老路中心附近,路基顶面变形为负值,说明老路基受到新路基的侧向挤压而隆起。当距离老路中心超过5 m时,各加宽宽度下路基顶面沉降变形均随着距老路中心点距离的增加而增加。同时,路基加宽宽度越大,路基顶面沉降变形越大,则新老路基间的差异沉降也越大。单侧加宽宽度为6 m、8 m、10 m、12 m的路基,其最大沉降量分别为5.98 cm、8.05 cm、9.97 cm、11.46 cm。

(2) 填料弹性模量的影响。改扩建路基施工期间,由于施工工艺的差别,可能导致沿线路段路基填料的弹性模量不同,从而影响了路基的抗变形能力。为了探究在路基填料的弹性模量对其沉降变形特性的影响,在单侧加宽宽度取8 m,旧路基高取6 m的工况下,分别计算了填料原弹性模量±5 MPa和±10 MPa后各监测点的沉降变形规律,如图3所示。

图3 填料弹性模量对路基变形的影响

图3表明:当与老路中心的距离小于16 m时,不同填料弹性模量下的路基顶面沉降基本无差别。反之,填料弹性模量增加,路基顶面沉降会降低,但降低速率会逐渐变缓。

弹性模型为30 MPa、35 MPa、40 MPa、45 MPa、50 MPa时的路基顶面最大沉降分别为8.48 cm、8.05 cm、7.88 cm、7.78 cm、7.74 cm。以填料弹性模量30 MPa对应的路基沉降为计算基准,则弹性模量每增加5 MPa,路基顶面最大沉降降低率为5.1%、2.1%、1.26%、0.51%。这说明新路基填料的弹性模量达到某一临界值后,继续提高弹性模量对路基变形的改善效果较差。

3 高速公路拓宽路基沉降处治措施

3.1 提高路基压实度

相关学者研究成果表明,高速公路改扩建之后新路基压实度一般会比旧路基提高1%左右。提高路基压实度,能确保土颗粒之间的结合更加紧密,减小土体孔隙率和压缩系数。在反复行车荷载作用下,能减小新路基在施工结束后的压缩变形量,降低新老路基间的差异性沉降,提高路基的承载性能和整体稳定性。

3.2 铺土工格栅

在高速公路拓宽路基铺土工格栅,能够提高土体的抗剪强度和抗压强度、降低其压缩性,加固机制如下:土工格栅表面粗糙,呈凹凸不平的状态,可以和土颗粒很好地结合在一起,相互作用下不至于轻易脱离,两者之间的相互作用主要体现为摩擦力和咬合力的提高。同时,土颗粒和土工格栅会产生“界面应力”限制土工格栅的相对滑动,使得土工格栅必然会承受一定的拉应力。由于土工格栅的抗拉性能良好,可以为土体分担一部分的外部荷载,相当于减少了土体本身的荷载。

3.3 采用轻质填料

轻质材料一般重度较小,高等级公路加宽路基采用轻质材料能有效地降低作用在地基上的荷载,从而减小土体中的附加应力和沉降变形。常用的路堤轻质填料有二灰(石灰、粉煤灰)轻质填料和泡沫混凝土轻质填料,前者适用于老路沉降未稳定,且对环境敏感度较低的路段;后者适用于沉降速率大,对路基震动有特殊要求的地段。同时,在填筑轻质材料路段和一般路基之间要开挖台阶设置过渡段,台阶高度在0.5～1.0 m,坡比宜为1∶1～1∶2,以提高路基的整体稳定性。

4 结 论

在分析高速公路拓宽路基差异沉降机制的基础上,利用MIDASGTS软件分析了其沉降变形特性和处治措施,主要得到以下结论:

(1) 拓宽路基差异沉降与填料和地基土的压缩性、外部荷载等因素密切相关,可用摩尔-库仑理论来计算。

(2) 在道路中线附近,老路基受到新路基的侧向挤压而隆起,其他位置沉降是随着距道路中线距离的增加而增加。

(3) 随着路基填料弹性模量的增加减缓,路基沉降总量呈降低趋势,但降低速率逐渐变缓。

(4) 高速公路差异沉降处治措施可采用提高路基压实度、铺土工格栅、轻质填料等手段。