山區(qū)公路改擴(kuò)建工程路基拓寬技術(shù)研究

蘇 辰

(新疆立弓交通勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 烏魯木齊市 831400)

近年來山區(qū)公路逐漸成為我國基礎(chǔ)交通設(shè)施發(fā)展中的關(guān)鍵力量，其建設(shè)步伐日益加快。但是由于原有的公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)較低，隨著交通量的逐年提高其設(shè)計(jì)通行能力已經(jīng)不能滿足要求，造成公路交通壓力大，容易造成道路擁堵、交通事故等。目前解決這一問題一般有新建公路和改擴(kuò)建公路兩種方式，后者由于建設(shè)周期短、占地面積少、耗費(fèi)資金少等特點(diǎn)，在改善公路通行能力中應(yīng)用廣泛。相關(guān)研究表明[1]，山區(qū)公路改擴(kuò)建路基拓寬的關(guān)鍵技術(shù)就是降低新舊路基之間的不均勻沉降。較普通地區(qū)而言，山區(qū)公路改擴(kuò)建項(xiàng)目的路基拓寬設(shè)計(jì)施工難度更大，往往加寬寬度較薄、加寬方式受地形限制，且可能遭遇滑坡、崩塌、溶洞等不良地質(zhì)[2]。因此，在山區(qū)公路改擴(kuò)建過程中，從破壞機(jī)理入手，對新舊路路基不均勻沉降的影響因素和處治技術(shù)展開深入地分析具有十分重要的意義。

1 山區(qū)公路新舊路基結(jié)合位置破壞機(jī)理

1.1 結(jié)合處變形

在進(jìn)行公路路基拓寬時(shí)，新路基一般作為邊載施加在老路基的邊坡，而邊載對舊路基沉降變形的影響主要體現(xiàn)于兩個方面：

(1)新路基填料的重量相當(dāng)于作用在舊路基的重力；

(2)地基土表面產(chǎn)生的附加應(yīng)力在公路橫斷面上的分布差異較大，尤其是軟土地基，新舊路基的應(yīng)力歷史不等，固結(jié)度也存在差異，導(dǎo)致拓寬新路基與舊路基之間產(chǎn)生不均勻沉降。

此外，在山區(qū)地質(zhì)不良路段進(jìn)行路基拓寬時(shí)，路基頂面沉降并不是因?yàn)槠渥陨淼膲嚎s變形，而是來自地基沉降，見圖1(a)。而在地質(zhì)較好路段，由于地基沉降變形較小，對新路基坡腳有一定的約束作用，所以公路拓寬路基的沉降主要來自路基自身的壓縮變形[3]，見圖1(b)。

1.2 結(jié)合處應(yīng)力分析

利用軟件PLAXIS8.0得到了山區(qū)陡坡地段和平坦地段在新路基填筑后路基整體的塑性點(diǎn)分布情況，如圖2所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，在新路基填筑結(jié)束之后，新老路基會產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致路基頂部產(chǎn)生較大拉應(yīng)力(圖中黑色區(qū)域)，這就會導(dǎo)致公路在運(yùn)營期間，容易在該處出現(xiàn)拉裂破壞。根據(jù)損傷力學(xué)可知[4]，如果路基頂部出現(xiàn)張拉裂隙，周圍的應(yīng)力會因?yàn)橹匦路植级黾?。如果新舊路基結(jié)合位置的差異沉降持續(xù)增加，裂隙也會逐漸延展并沿著路基下方擴(kuò)展；與此同時(shí)，新舊路基結(jié)合位置的中部產(chǎn)生了屈服點(diǎn)(圖中紅色區(qū)域)，這表明此位置是拓寬路基的最薄弱點(diǎn)，會最早出現(xiàn)塑性破壞。

2 山區(qū)公路新舊路基不均勻沉降影響因素

2.1 工程背景

以某二級改擴(kuò)建公路拓寬路基(K0+248～K0+268段)為研究對象對其不均勻沉降影響因素展開分析。該公路原路基寬度18m，填方高度是8m，路線總體長度24.25km。原路基下方的地基土以軟土、淤泥土為主，含水量高、承載力較低、呈塑性流動狀態(tài)。路基填料為土石(紅泥巖和粉質(zhì)黏土)混填，選擇強(qiáng)夯法對墊層進(jìn)行了處理。

2.2 模型建立及網(wǎng)格劃分

山區(qū)公路拓寬路基的不均勻沉降屬于平面應(yīng)變問題的范疇，因此，為了保證軟件的計(jì)算速度和精度要求，用PLAXIS8.0軟件分析時(shí)將路基建成二維平面模型，并采取三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格自動劃分[5]。軟件計(jì)算時(shí)采用M-P屈服準(zhǔn)則，模型的邊界條件是：地基底部對x、y、z 三個方向位移完全約束，對路基邊坡外側(cè)水平位移約束、豎向自由變形，路基頂面不施加任何邊界條件[6]。與此同時(shí)，將路基模型按照土體性質(zhì)差異性劃分為三個區(qū)域，每個區(qū)域均采用brick單元，并對填方路基區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密，共劃分5872個網(wǎng)格。公路改擴(kuò)建路基有限元計(jì)算模型如圖3所示。

根據(jù)工程實(shí)際對土層性質(zhì)進(jìn)行了簡化處理，具體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 地基及路基填料物理力學(xué)參數(shù)

2.3 不同工況下新老路基不均勻沉降變化

(1)不同拓寬寬度的影響

山區(qū)公路改擴(kuò)建公路新路基拓寬寬度分別選擇1m、2.5m、4m、6m、10m，各拓寬寬度下新舊路基頂面沉降變化量的計(jì)算結(jié)果見圖4。

由計(jì)算結(jié)果可知，隨著公路路基拓寬寬度的增加，路基頂面的豎向位移不斷增大，且新舊路基之間的不協(xié)調(diào)變形持續(xù)增大，這種現(xiàn)象表明：隨著路基加寬寬度的增加，舊路基在新路基的邊載作用下引起的附加應(yīng)力也持續(xù)提高，使得老路基的沉降不斷增大。但是當(dāng)路基的拓寬寬度增大到某一臨界值時(shí)，再增加路基的拓寬寬度對舊路基所產(chǎn)生的附加應(yīng)力影響較小，即其引起的舊路基的沉降無明顯變化。

路基拓寬寬度不同，路基頂面出現(xiàn)不協(xié)調(diào)變形最大值的位置也有差異，當(dāng)公路路基的拓寬寬度1～6m范圍內(nèi)，不協(xié)調(diào)變形最大值出現(xiàn)在新路基邊緣，當(dāng)公路路基的加寬超過6m時(shí)，其最大值出現(xiàn)在新路基邊緣內(nèi)側(cè)，這會使得公路拓寬部分路面產(chǎn)生反坡，容易出現(xiàn)雨水聚集，損害路面結(jié)構(gòu)層，導(dǎo)致公路運(yùn)營功能和壽命下降[7]。

(2)不同填方高度的影響

山區(qū)公路改擴(kuò)建公路路基填方高度取8m、14m、20m、30m，不同填方高度下新舊路基沉降變形的計(jì)算結(jié)果見圖5。

由計(jì)算結(jié)果可知，拓寬路基的沉降變形、不協(xié)調(diào)變形均隨著公路路基填方高度的提高不斷增大。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因在于：山區(qū)公路路基填方高度增加，則新路基對舊路基產(chǎn)生的附加應(yīng)力不斷增大，使得舊路基的沉降變形也持續(xù)增加。此外，當(dāng)路基填方高度相等時(shí)，距離道路中心線越遠(yuǎn)位移變化越明顯，當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)距離道路中心線小于1m時(shí)，路基頂面基本不出現(xiàn)不均勻沉降。

(3)新路基剛度模量變化的影響

山區(qū)公路改擴(kuò)建拓寬路基剛度模量分別取5MPa、12MPa、30MPa、50MPa、70MPa、90MPa，不同剛度模量下拓寬路基的沉降變形計(jì)算結(jié)果如圖6所示。

由計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)距離道路中心線小于1m時(shí)，新路基填料剛度模量的變化對路基頂面的沉降基本無影響；當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)距離道路中心線大于1m時(shí)，路基頂面的沉降隨著新路基填料剛度模量增大而降低，新舊路基間的不均勻變形有了明顯的改善。但是當(dāng)新路基填料剛度模量處于30～90MPa范圍內(nèi)，增加彈性模型對路基頂面沉降的影響較小，這說明增加新路基填料的剛度模量超過一個界限(30MPa)后，增加剛度模量對改善拓寬路基的不協(xié)調(diào)變形效果不理想。

3 山區(qū)公路新舊路基結(jié)合部位處治措施

在山區(qū)公路改擴(kuò)建工程中，新舊路基結(jié)合處是其最薄弱的部分，如何提高新舊路基結(jié)合位置強(qiáng)度是山區(qū)公路改擴(kuò)建路基拓寬的最重要技術(shù)之一。基于上文新舊路基不均勻沉降機(jī)理及變化特征，再參考國內(nèi)外工程實(shí)例，提出山區(qū)公路改擴(kuò)建工程中新舊路基結(jié)合處的處治措施劃分為外部處治、內(nèi)部處治和綜合處治三類，具體處治措施見表2。

表2 新舊路基結(jié)合部位處治措施分類

4 結(jié)語

筆者利用軟件PLAXIS8.0對山區(qū)公路改擴(kuò)建工程中路基拓寬不均勻沉降的機(jī)理、變形規(guī)律及具體處治措施展開了詳細(xì)的分析，主要得到了以下幾個方面的結(jié)論：

(1)在山區(qū)公路改擴(kuò)建工程中新路基一般以邊載的形式作用于老路基的邊坡上，新舊路基結(jié)合位置的中部是拓寬路基最薄弱的地方，會最先出現(xiàn)塑性破壞。

(2)隨著公路路基拓寬寬度和填方高度的增加，路基頂面的豎向位移不斷增大，且新舊路基之間的不協(xié)調(diào)變形持續(xù)增大，距離道路中心線越遠(yuǎn)位移變化越明顯。路基頂面的沉降隨著新路基填料剛度模量增大而降低，新舊路基間的不均勻變形有了明顯的改善，但當(dāng)剛度模量超過30MPa，增加剛度模量對改善拓寬路基的不協(xié)調(diào)變形效果不明顯。

(3)山區(qū)公路改擴(kuò)建工程中新舊路基結(jié)合部位處治措施劃分為外部處治、內(nèi)部處治和綜合處治三大類。