高速公路路基拓宽不均匀沉降数值分析.pdf

交通世界TRANSPOWORLD1 高速公路扩宽路基不均匀沉降机理分析1.1 新老路基沉降组成1）老路基沉降高速公路经过长期运营，老路基及其地基固结沉降可视为已完成。如只考虑路基填土重力作用，沉降变形不会增加，此时的沉降为老路基第1次沉降1。如果在老路基的单侧或双侧拼接新路基，新路基填土会在老路基部分产生附加应力，使其继续压缩，此沉降为老路基的第2次沉降。加宽后的路基在运营阶段受车辆荷载，老路基会继续沉降，此沉降为老路基的第3次沉降2。2）新路基沉降在填土重力和施工机械作用下，拼接路基会产生瞬时沉降和主固结沉降，即新路基的第1次沉降。同老路基相同，在运营阶段新路基发生固结沉降，直到变形不再继续，此时沉降为新路基的第2次沉降。1.2 新老路基不均匀沉降原因高速公路路基拼宽后可能出现路面开裂、新路基沿老路基下滑等病害，且各病害并不是独立存在，但病害基本与新旧路基的差异沉降密切相关。1）变形不协调新旧路基变形不协调的原因主要有两方面，如图1所示3：一方面，旧路基底部地基固结基本完成，压缩模量大，抗变形能力强，而新路基底部地基尚未开始固结，压缩模量小。在相同附加应力作用下，新路基底部地基沉降更大；另一方面，拼宽路基的填料类型、级配组合、压实度等可能与旧路基不同，在车辆荷载作用下也会发生不协调变形。2）结合部处治不当高速公路新老路基结合处施工工艺复杂，施工难度大，容易出现质量缺陷，比如在陡坡路段，路基结合部台阶回填压实度不足，新路基容易沿老路基下滑，对地基产生刺入式破坏；再比如路基结合部填土质量不合格，含有植物根茎、建筑垃圾等，使得路基土松软，在运营期间出现沉陷病害。2 高速公路路基扩宽不均匀沉降计算模型相对于“分层总和法”，数值模拟用于路基沉降计算时具有成本低、可重复性好等优点，能在有限时间和空间内计算多个工况下的路基沉降4。因此，本文依托某高速公路改扩建工程，利用有限元软件 ANSYS15.0计算扩宽路基的不均匀沉降，计算时假定：老路基沉降完成，新路基作为附加荷载施加到老路基上，利用ANSYS软件中的“生死单元”来实现；路堤足够长，将该三维空间问题转化为二维平面问题；将路面重量及车辆车载等效为土柱。2.1 工程概况该高速公路长36.6 km，总体为东西走向，位于丘陵和平原接地带，大部分地形平坦，局部地形较陡。路线起讫桩号为 K0+000K36+600，设计速度为 100km/h，设计荷载为公路-I级，主线为双向4车道，路基横断面宽度26 m，横断面组合为：土路肩0.75 m+硬路肩 2.5 m+行车道 23.75 m+中间带 4.5 m+行车道 23.75m+硬路肩2.5 m+土路肩0.75 m，路面类型为沥青路面，厚70 cm。近年来，由于当地经济发展迅速，交通量快速增长，尤其是重载和超载车辆增加，高速公路服务水平无法满足交通需要，需进行加宽处理，加宽方案为四改六，加宽方式为双侧拼宽，即左右侧分别增加1条宽3.75 m的车道。收稿日期：2023-02-11作者简介：陈银（1988），女，河北沧州人，工程师，从事道桥设计及造价编制工作。高速公路路基拓宽不均匀沉降数值分析陈银（河北双盛交通勘察设计有限公司，河北 沧州 061000）摘要：为保证公路改扩建项目设计水平，依托某高速公路项目，分析了扩宽路基不均匀沉降产生的原因。同时，利用有限元软件ANSYS建立二维平面模型，探讨了拓宽路基路表各点的不均匀沉降，并提出了灰土挤密桩复合地基、铺土工格栅、分层补夯等方案来改善新旧路基不均匀沉降，研究成果可为类似的高速公路改扩建项目设计提供理论指导。关键词：高速公路拼宽；不均匀沉降；数值模拟；控制技术中图分类号：U416文献标识码：B图1 拼宽地基不协调变形示意61总657期2023年第27期（9月 下）2.2 计算参数据地质勘察资料及室内土工试验结果可知，地基土从上到下分别为硬壳层、淤泥质黏土、亚黏土。新旧路基填料为性能良好的砂砾土，但由于填筑时间不同，计算参数有所差异。不同岩土体的主要物理力学参数见表1：表1 路基及地基土计算参数土层类型新路基老路基硬壳层淤泥质黏土亚黏土重度/（kN/m3）20.020.019.018.518.8黏聚力/kPa35221820内摩擦角/3035241920泊松比0.300.350.300.250.252.3 气象气候项目处于温带季风性气候，四季气温变化大，冬季低温少雨，夏季高温多雨，年降雨量较大，多年平均降雨量可达887 mm，降雨类型以中大雨为主，降雨时间主要集中在69月份。2.4 岩土屈服准则土体是由土颗粒、水、空气组成的三相物质，抗压强度大，基本不抗拉，同时在附加荷载作用下，土体空隙不断压缩，体积发生变化，故选择 DruckerPrager本构模型来计算拓宽路基的不均匀沉降5。DP屈服准则表达式见（1）（3）：F=I-J+K=0（1）I=1+2+3（2）J=16(1-2)2+(1-3)2+(2-3)2（3）式（1）（3）中：、K均为土体计算参数，无量纲；1为最大主应力，kPa；2为中间主应力，kPa；3为最小主应力，kPa。2.5 模型建立网格划分：利用ANSYS软件中内置的solid实体单元模拟新旧路基填土和地基土，采用六面体单元划分，拼宽路基网格适当加密，网格尺寸取0.5 m，其他部位网格尺寸取1 m，最终划分出2 156个单元，2 878个节点。边界条件：路基底部进行完全约束，不发生任何方向的位移。路基顶面和边坡坡面为自由边界，在X/Y/Z方向均可产生变形。模型加载：为准确模拟拼宽路基施工过程，对路基分级加载，每层填筑高度设置为1.0 m，施工有效时间和加载结束后的施工间歇时间设置为1个月。3 高速公路路基拓宽不均匀沉降计算结果3.1 扩宽路基应力分布以填土高度=6 m为例，取半幅路基进行分析拓宽路基的应力，计算结果见图2：图2 拼宽路基应力计算结果由图2计算结果可知，当老路基拼宽两车道后，路基土体内应力从顶面到底面均有一定变化，且新路基应力明显大于老路基应力。同时，路表应力最小，地基土底面应力较大，在新老路基结合部出现“应力集中”现象，很好地解释了新老路基结合部薄弱的原因。3.2 扩宽路基不均匀沉降拓宽路基填土产生的附加应力在基底是不均匀分布的，因此有必要研究拼宽路基不同位置沉降变化规律。利用ANSYS在路基顶两侧每隔2 m设置沉降监测点，提取出路基顶各位置的沉降，并利用origin软件内置的二阶多项式函数对计算结果进行函数拟合，相关系数达到了0.99，满足工程需求。路基不均匀计算结果如图3所示：图3 拼宽路基顶面沉降由图3计算结果可知：该高速公路拓宽路基的工后沉降整体较大，距离老路中心越远，路表工后沉降越大，拓宽路基的最大沉降出现在新路基边缘，可达15.8 cm。同时，新老路基结合部由于材料性质差异，产生了位移变化不连续现象。当距离老路中心小于4 m时，路表沉降变化幅度较小；距旧路中心超过6 m后，路表工后沉降增长幅度明显增加，且两者基本呈线性正相关关系。4 高速公路路基拓宽不均匀沉降处治由上节可知，新旧路基间的最大差异沉降可达14.3 cm，不满足 公路路基设计规范（JTG D302015）要求。过大的不均匀沉降会导致高速公路运营期间路面产生张拉裂缝、边坡失稳等病害，影响行车62交通世界TRANSPOWORLD安全和舒适，建议对拓宽路基部分进行地基处理，以降低新旧路基间的不均匀沉降6。4.1 拓宽路基不均匀沉降处治措施1）方案一：灰土挤密桩复合地基拓宽路基下方分布有淤泥质黏土，分布深度约3.27.5 m。由于淤泥质土压缩性大，建议采用灰土挤密桩来减少新旧地基间的不协调变形。作用原理：灰土挤密桩是利用钢套筒在地基内成孔，并在孔内填入灰土夯实，与桩间土形成复合地基。灰土挤密桩减小路基沉降的原理如下：成桩时，桩体对周围土体有挤密作用，使桩周土体密实度提高，压缩模量增大，抗变形能力提高；桩体中的 Ca（OH）2与淤泥质黏土颗粒发生化学反应，产生胶体凝聚，对土体强度有大幅提高。设计参数：灰土挤密桩的桩间距不宜过大或过小，桩间距过大导致桩间土挤密效果差，反之会增加工程量。参考相关研究成果，灰土挤密桩的桩间距取1.0 m，桩径取0.5 m，梅花形布桩。需注意，如施工现场发现路基下地层分布和勘察成果不一致，应立即停工并查明原因。2）方案二：铺土工格栅+分层补夯土工格栅是一种典型高分子聚合材料（聚丙烯或聚乙烯），具有抗拉强度高、张力和延展性好等优势。路基填土铺筑土工格栅后，土工格栅和填土间的摩擦咬合作用能约束土颗粒，减小土体的侧向位移，提高路基的整体稳定性。土工格栅的加筋作用大小与格栅类型、土颗粒级配、铺筑位置等密切相关。本项目拟在上路床顶面、下路床顶面、基底各铺设一层双向拉伸土工格栅，设计参数见表1。每幅土工格栅在铺筑时需搭接20 cm，并用直径10 mm的“U形”钢筋锚钉加固，锚钉横向间距和纵向间距均为3 m。表2 土工格栅设计参数类型双向土工格栅横向设计参数抗拉强度/（kN/m）55弹性模量/kPa1200纵向设计参数抗拉强度/（kN/m）55弹性模量/kPa1200此外，为降低拓宽路基在自身重力作用下的工后沉降，可对路堤分层补夯处理，即各层填土压实度满足 公路路基设计规范（JTG D302015）要求的前提下再次夯击。路堤每填筑 4 m 补夯一次，补夯按主夯、副夯、满夯的流程进行。如果最后一层填土不满4m，以路顶面为最终夯击层。补夯结束后，可选择灌砂法、环刀法等检查路基压实度，建议补夯后压实度比路基设计规范的要求值提高1%。4.2 拓宽路基不均匀沉降处治效果评价在拓宽路基其他参数不变的情况下，利用ANSYS软件分别计算方案一和方案二处治后拼宽路基的不均匀沉降，计算结果见表3：表3 不同地基处理方案下拼宽路基沉降沉降路基沉降/cm地基土沉降/cm总沉降/cm最大不均匀沉降/cm方案一2.34.26.55.6方案二1.86.48.27.3备注其他计算工况同2.2节。由表3可知：地基处理后，拓宽路基最大沉降和不均匀沉降均有明显改善。采用方案一时，路基最大沉降的降幅约 58.9%，新旧路基不均匀沉降降低 60.8%；采用方案二时，路基最大沉降的降幅约48.1%，新旧路基不均匀沉降降低48.9%。经对比，灰土挤密桩复合地基用于改善高速公路拓宽路基不均匀沉降效果更好。5 结论本文依托某高速公路项目，研究了扩宽路基不均匀沉降机理、不均匀沉降规律，并提出了相应的改善措施，主要得到以下结论：高速公路拓宽路基可能因新老路基变形不协调、结合部处治不当产生不均匀沉降，影响行车安全和舒适性；高速公路拼宽后，路表应力最小，地基土底面应力最大，且新路基内部应力明显大于老路基；拓宽路基距离老路中心越远，路表工后沉降越大，最大沉降通常出现在新路基边缘；拓宽路基经地基处理后，不均匀沉降有明显改善，且复合地基处治效果更好。参考文献：1 薛洋.不同设计参数对公路拓宽路基变形特性的影响J.山东交通科技，2022（1）：46-49.2 王帅，魏斌斌.高速公路路基拓宽中的软土地基处理技术J.工程建设与设计，2021（6）：37-39.3 柳建明.高速公路路基拓宽不均匀沉降监测与分析J.山西交通科技，2019（2）：15-18.4 王健.高速公路高填方湿陷性黄土路基拓宽不均匀沉降处治技术J.河北建筑工程学院学报，2014，32（4）：11-18.5 徐婧.山区高速公路拓宽路基不均匀沉降处治技术研究D.西安：长安大学，2013.6 张春会，吕锦，赵全胜，等.高速公路拓宽路基病害机理及防治J.辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2012，31（2）：168-171.63