高速公路高填方路基變形特性及控制對(duì)策

柴 廣

(貴州路橋集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000)

高速公路高填方路基變形特性及控制對(duì)策

柴 廣

(貴州路橋集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000)

依托某高速公路為工程背景，借助ABAQUS有限元軟件建立路基分級(jí)填筑動(dòng)態(tài)數(shù)值模型，對(duì)填土高度為18.6 m的路基分級(jí)填筑過(guò)程中的變形特性進(jìn)行分析。同時(shí)，結(jié)合長(zhǎng)期工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出有利于保障高填方路基穩(wěn)定性的技術(shù)措施，并結(jié)合計(jì)算結(jié)果對(duì)保障措施控制效果進(jìn)行驗(yàn)證。

高速公路；高填方路基；變形特性；數(shù)值模型；實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

0 引 言

截止2016年統(tǒng)計(jì)，我國(guó)高速公路通車(chē)?yán)锍桃堰_(dá)11.2 km，居世界領(lǐng)先地位。考慮我國(guó)幅員遼闊，南部地質(zhì)條件差異較大，人口密度較高、交通量大等特點(diǎn)，我國(guó)快速發(fā)展的高速公路項(xiàng)目側(cè)面亦驗(yàn)證了其建造技術(shù)處于較高水準(zhǔn)。然而，隨著工程建設(shè)的復(fù)雜性和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，工程實(shí)踐仍面臨著諸多問(wèn)題有待解決。如：填土高度較高路基的變形特性以及其長(zhǎng)期的穩(wěn)定性能等。

通常，路基填土高度≤2.5 m路基稱為低路堤路基，填土高度≥18 m(土質(zhì))或20 m(石質(zhì))的路基稱為高填方路基。國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐表明，高速公路多為低路堤，主要由于人口密度較小，無(wú)需考慮設(shè)置地下通道等，且低路堤具有工程造價(jià)相對(duì)較低，占地及所需填料相對(duì)較小等優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)高速公路路堤填土高度處于2.5～8 m較多，主要考慮設(shè)置線性地下通道，便于既有交通通過(guò)。21世紀(jì)前期，既有線路基本與地表高度相同，設(shè)置地下通道高度(約4.5 m)要求新建路基填土高度≥8 m基本滿足要求。然而，進(jìn)入21世紀(jì)后期，既有線路常為高速公路，跨越較大高度既有路基常需借助橋梁結(jié)構(gòu)，而與橋梁結(jié)構(gòu)銜接仍需較高填方路堤。也因此，高度≥18 m的路堤工程實(shí)踐中偶有發(fā)生。然而，填土高度的增加所帶來(lái)的建設(shè)難度也相應(yīng)增加，其中如何控制分級(jí)填筑過(guò)程中的路基變形特性已經(jīng)成為工程界面臨的主要問(wèn)題之一。

針對(duì)以上問(wèn)題，工程界結(jié)合多種方法進(jìn)行了一些探討性研究，并獲取一切結(jié)論。常見(jiàn)的研究方法包括：理論分析、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和數(shù)值模擬等。理論分析簡(jiǎn)化較多，且大量計(jì)算需借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行，精度也較難保證；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)最為真實(shí)寶貴，但測(cè)試費(fèi)用一般較高，且具有明顯的地域工程背景，進(jìn)行多工況對(duì)比分析可行性較低；隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，借助數(shù)值模擬對(duì)其分析已經(jīng)成為目前主要的途徑之一。其主要優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)多工況分析，針對(duì)以往無(wú)限域地基模擬問(wèn)題可借助更大模型尺寸實(shí)現(xiàn)，且計(jì)算參數(shù)亦可結(jié)合土工試驗(yàn)選取，同時(shí)計(jì)算所需成本較低，便于向科研人員應(yīng)用推廣。

基于此考慮，依托工程實(shí)例，借助有限元軟件ABAQUS建立路基分級(jí)填筑動(dòng)態(tài)數(shù)值模型，對(duì)填土高度為18.6 m的路基分級(jí)填筑過(guò)程中的變形特性進(jìn)行分析。同時(shí)，結(jié)合長(zhǎng)期工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出有利于保障高填方路基穩(wěn)定性的技術(shù)措施，并結(jié)合計(jì)算結(jié)果對(duì)保障措施控制效果進(jìn)行驗(yàn)證，能夠?yàn)轭愃乒こ虒?shí)踐提供參考依據(jù)。

1 工程概況及土層工程特性

某高速公路DK23+101.2～DK23+151.5區(qū)間為路橋過(guò)渡段，最低填土高度18.2 m，最高填土高度為19.0 m，平均填土高度18.6 m。設(shè)計(jì)雙向4車(chē)道，路堤填土頂面寬為20 m。地基土層從上至下依次為：(1)雜填土：普遍分布，厚度0.30～0.80 m，平均層厚0.55 m。松散、力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定。(2)含礫粉質(zhì)黏土：層厚17.40～20.80 m，平均層厚19.10 m。松褐黃色～棕黃色，硬塑，以黏性土為主，地基承載力176 kPa。(3)灰?guī)r：青灰色，弱風(fēng)化，巖溶發(fā)育，承載力780 kPa。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)原位和室內(nèi)土工試驗(yàn)，對(duì)含礫粉質(zhì)黏土基本物理力學(xué)特性進(jìn)行分析，如表1所示。

表1 含礫粉質(zhì)黏土主要基本物理力學(xué)參數(shù)

2 路基分層填筑過(guò)程挖數(shù)值模擬分析

借助有限元分析軟件ABAQUS，建立路基—地基二維數(shù)值模型，對(duì)路基分層填筑過(guò)程中路基變形特性進(jìn)行分析。

2.1 數(shù)值模型建立

為模擬地基無(wú)限域問(wèn)題，盡可能擴(kuò)大地基模型尺寸，結(jié)合文獻(xiàn)建議，地基模型取100 m寬，深度取30 m。路堤填土高度同設(shè)計(jì)值，取18.6 m。模型采用STRUCTURE(結(jié)構(gòu)化)劃分技術(shù)劃分；土體采用C4PER(4節(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變縮減積分單元)單元模擬；模型兩側(cè)限制法向約束，底邊采用固定約束；土體本構(gòu)模型選為摩爾-庫(kù)倫。計(jì)算所需參數(shù)如表1所示。

2.2 計(jì)算結(jié)果及分析

路基填筑是分級(jí)進(jìn)行，填土厚度結(jié)合室內(nèi)實(shí)驗(yàn)確定。路基每填筑一層土，采用機(jī)械壓實(shí)并測(cè)試壓實(shí)度等相關(guān)指標(biāo)。為盡可能模擬實(shí)際工況，數(shù)值模擬中將每層填土定義為0.5 m，然后通過(guò)設(shè)置不同的分析步，實(shí)現(xiàn)每個(gè)分析步填筑0.5 m動(dòng)態(tài)填筑過(guò)程。數(shù)值模擬中，路基填筑動(dòng)態(tài)過(guò)程通過(guò)“生死”單元進(jìn)行模擬。第一步：首先將路堤填土高度單元“殺死”，對(duì)初始地基應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行平衡；第二步：“激活”0.5 m填土高度。然后，逐步激活直到路基填筑結(jié)束。圖1為數(shù)值模擬動(dòng)態(tài)填筑過(guò)程中豎向變形云圖。

圖1 不同填土高度時(shí)路基豎向變形云圖

由圖2可知：路基的變形隨填筑高度增加施工動(dòng)態(tài)過(guò)程；填土高度越高，上部荷載越大，相應(yīng)地基變形越高；路基動(dòng)態(tài)填筑過(guò)程中，增加荷載對(duì)地基附加應(yīng)力主要體現(xiàn)在路堤底部對(duì)應(yīng)地基區(qū)域，也因此地基變形主要體現(xiàn)在該區(qū)域，形成沉降“盆”。路基填土過(guò)程中地基的變形特性可借助圖3分析。

圖2 不同填土高度地表橫向沉降變化曲線

考慮路基模型的對(duì)稱性，僅取路基中心左側(cè)地表橫向沉降曲線進(jìn)行分析。由圖3可知：隨路堤填筑高度增加，地表橫向沉降逐漸增大；填筑高度為4 m、8 m、12 m、16 m和18.6 m時(shí)，路基中心地表最大沉降值依次對(duì)應(yīng)為25.3 cm、28.2 cm、31.3 cm、33.9 cm和36.2 cm，相應(yīng)依次增加2.9 cm、3.3 cm、2.6 cm和2.3 cm，平均路基填土每增加1 m對(duì)應(yīng)地表沉降最大值增加1.95 cm。

3 保障高路堤穩(wěn)定性的技術(shù)措施

僅從數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看，路基分層填筑過(guò)程中地基沉降增長(zhǎng)速率基本穩(wěn)定，累積沉降最大值小于40 cm。然而，考慮到數(shù)值模型建立在諸多假設(shè)簡(jiǎn)化基礎(chǔ)上，還需結(jié)合其他措施來(lái)提高路堤整體穩(wěn)定性。

結(jié)合實(shí)際工況，保障高路堤穩(wěn)定性技術(shù)措施可分為三大類：(1)護(hù)坡設(shè)計(jì)。提高高路堤邊坡支護(hù)強(qiáng)度，可選取適當(dāng)間隔，進(jìn)行土釘支護(hù)；(2)排水設(shè)計(jì)。完善排水系統(tǒng)，降低因極端降雨環(huán)境與交通荷載的疊加作用對(duì)路基的破壞；(3)加筋設(shè)計(jì)。每填筑高度4 m，可設(shè)置一層土工格柵，提高路堤整體穩(wěn)定性。

結(jié)合上述建模方式，對(duì)采取加筋設(shè)計(jì)路堤的整體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，對(duì)其加固效果進(jìn)行評(píng)估。計(jì)算過(guò)程中，借助邊坡穩(wěn)定性分析的強(qiáng)度折減法，計(jì)算出相應(yīng)安全系數(shù)，可以直觀對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行量化評(píng)估。

圖3 路堤塑性區(qū)分布云圖

由圖3可知：高路堤失穩(wěn)時(shí)塑性區(qū)分布特征，主要沿路堤頂部至坡腳破壞。結(jié)合表2安全系數(shù)對(duì)比可知：采用土工格柵(抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值20 kN/m)在一定程度上可以起到加固高路堤穩(wěn)定性目的；相比未設(shè)置土工格柵同等高度路堤，設(shè)置土工格柵后安全儲(chǔ)備可提高22%左右。

表2 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果對(duì)比

4 結(jié) 論

(1)路基變形隨填土高度增加施工動(dòng)態(tài)過(guò)程，主要變形位于路堤下方，呈“盆”狀分布特性。

(2)填筑高度為4 m、8 m、12 m、16 m和18.6 m時(shí)，路基中心地表最大沉降值依次對(duì)應(yīng)為25.3 cm、28.2 cm、31.3 cm、33.9 cm和36.2 cm，相應(yīng)依次增加2.9 cm、3.3 cm、2.6 cm和2.3 cm，平均路基填土每增加1 m對(duì)應(yīng)地表沉降最大值增加1.95 cm。

(3)結(jié)合“護(hù)坡設(shè)計(jì)”、“排水設(shè)計(jì)”和“加筋設(shè)計(jì)”三方面探討了保障高路堤穩(wěn)定性的技術(shù)措施。數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示，相比未設(shè)置土工格柵同等高度路堤，設(shè)置土工格柵后安全儲(chǔ)備可提高22%左右。

[1] 劉軍，馮五一.渝西地區(qū)高速公路排水設(shè)計(jì)[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2009,(23)：226.

[2] 趙俊明，劉松玉，石名磊.交通荷載作用下低路堤動(dòng)力特性試驗(yàn)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,(5):921-925.

[3] 張海立. 公路舊路基狀態(tài)檢評(píng)的規(guī)范要求及啟示[J].山西建筑，2010，(25): 292-293.

Adissertationondeformationcharacteristicsandcontrolcountermeasuresofhighfillroadbedinhighway

CHAI Guang

(Guizhou Road & Bridge Group,Guiyang,Guizhou 550000，China)

The ABAQUS finite element software is used to build the dynamic numerical model of subgrade filling, and the deformation characteristics of the roadbed grading process with the height of 18.6m are analyzed. At the same time, combined with the experience of long-term engineering practice, the paper puts forward the technical measures to ensure the stability of the high embankment foundation, and combine the calculated results to verify the control effect of the safeguard measures.

highway; high embankment subgrade; deformation characteristics; numerical model; measured data

2017-03-28

柴廣(1991-)，男，貴州石阡人，助理工程師，研究方向：高速公路施工。

TU457

A

1008-3383(2017)10-0006-02