基于臨界變形模量的高速公路路堤地基設(shè)計方法研究

楊宗橙

【關(guān)鍵詞】高速公路;路堤地基;設(shè)計方法

【中圖分類號】U416.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）09-0074-03

0 引言

目前，高速公路地基設(shè)計采用建筑行業(yè)的設(shè)計方法，缺乏針對柔性基礎(chǔ)的設(shè)計依據(jù)[1]。隨著我國交通建設(shè)的快速發(fā)展，中國高速公路里程已經(jīng)突破16萬km，地基對高速公路的壽命影響極大，由于地勢地貌的不同，高速公路地基設(shè)計差異大。我國高速公路填方路堤占有很大比例，是路基斷面的常見形式之一，高速公路路堤路基主要由路堤填土和地基土兩個部分構(gòu)成，路堤的填筑均為人工設(shè)計、施工、控制，穩(wěn)定性取決于設(shè)計的科學(xué)性、施工的質(zhì)量控制等。影響路堤路基穩(wěn)定性的主客觀因素較多，而路堤路基工后沉降主要來源于地基變形，因此高速公路路堤基地的設(shè)計極其重要。目前，我國針對高速公路路堤路基的設(shè)計，在公路路基變形控制標(biāo)準(zhǔn)方面有一定的研究，但大多是參考建筑方面的設(shè)計規(guī)范及經(jīng)驗，對柔性地基基礎(chǔ)沒有針對性的設(shè)計依據(jù)。鑒于路表變形沉降是目前路堤地基設(shè)計考慮的主要指標(biāo)，因此本文基于臨界變形模量，利用有限元軟件對路堤地基變形量進(jìn)行計算，研究公路路堤地基變形模量的測試方法，為公路路堤地基的設(shè)計和施工提供依據(jù)。

1 高速公路路堤地基變形計算

高速公路路堤地基變形的影響因素很多且影響因素的取值數(shù)量較多，通過直接計算路堤地基的變形量十分困難，計算結(jié)果也缺乏科學(xué)性。因此，本文在對公路路堤地基變形分析時，將地基與路堤作為一個整體建立力學(xué)模型，利用有限元軟件ANSYS[2]進(jìn)行數(shù)值計算，分析其整體變形規(guī)律，計算原地基的變形模量，確定高速公路路堤地基變形標(biāo)準(zhǔn)。

1.1 公路填土路基變形分析模型

在實際工程中，只有在橫向平坦時，填土路基的結(jié)構(gòu)才為對稱的。考慮到簡化模型計算，將路基簡化為對稱結(jié)構(gòu)，只取其結(jié)構(gòu)的一半進(jìn)行分析。文獻(xiàn)表明，對于大面積填土來說，對地基的影響深度約為填土厚度的7.2倍，保守估計本文取填土厚度的8倍;由于路基左側(cè)為對稱結(jié)構(gòu)，其在豎向會發(fā)生位移，因此對模型的左側(cè)施加水平約束;同時，地基底部和右側(cè)范圍較大，其邊界處變形很小，對地基的下部和右側(cè)施加水平和豎向約束[3-4]。路堤結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。

1.2 高速公路填土路基變形計算結(jié)果

在工程建設(shè)領(lǐng)域，目前正交試驗已被廣泛應(yīng)用，通過組合，設(shè)計具有一定規(guī)律的表格，以此為工具，設(shè)計試驗方案并進(jìn)行試驗結(jié)果的分析，能較好地適應(yīng)多影響因素且因素間存在相互影響的試驗分析。鑒于路堤地基變形的影響因素較多，本文應(yīng)用正交試驗思想[5]，確定影響路基變形的主要因素和各主要因素的水平范圍，設(shè)計正交試驗表頭，進(jìn)行有限元數(shù)值計算。

1.2.1 有限元數(shù)值計算參數(shù)

進(jìn)行有限元數(shù)值計算應(yīng)明確主要因素、計算參數(shù)及水平，從而進(jìn)行正交表頭設(shè)計。模型參數(shù)的確定應(yīng)從結(jié)構(gòu)的幾何尺寸和土力學(xué)參數(shù)兩個角度考慮，根據(jù)實際情況及各因素的重要程度，確定各因素水平的范圍，進(jìn)而確定各因素水平的數(shù)量。具體參數(shù)的確定過程如下。

（1）路基寬度B：參考《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，高速公路取平均水平，即26 m。

（2）路堤填土高度H：本文研究對象為一般填土路堤公路，路堤填土高度取值范圍為2～8 m。

（3）地基土計算深度：由力學(xué)模型分析，地基土計算深度取8 H。

（4）邊坡坡度：參照《公路路基設(shè)計規(guī)范》，本文有限元計算時確定的路堤填土高度均不大于8 m，故邊坡坡度取1∶1.5。

（5）填土回彈模量E0：常見填土回彈模量范圍為20～70 MPa。

（6）填土重度γ：路堤填土重度范圍取14～26 kN/m3。

（7）地基土變形模量E：常見地基變形模量取值范圍為8～30 MPa。

有限元計算參數(shù)及取值匯總見表1。

表1表明，不同因素水平取值范圍不同，有些因素水平為定值，有些因素水平為一個范圍。因此，應(yīng)對水平變化的因素進(jìn)行正交試驗設(shè)計，計算參數(shù)設(shè)計為4因素4水平正交表頭[6]。

1.2.2 路基變形計算結(jié)果

本文分析的目的是在一定的設(shè)計條件下，基于路表工后沉降標(biāo)準(zhǔn)確定地基變形控制參數(shù)。為此，首先利用上述有限元模型和正交試驗參數(shù)計算出路表總變形，然后利用路表工后變形與路表總變形的關(guān)系計算出路基變形。

路基變形計算結(jié)果見表2。

1.3 路表工后變形計算

路表工后變形與路表總變形的比值受路堤填土高度的影響最大，因而可根據(jù)路堤填土高度建立表征路表工后變形與路表總變形比值的關(guān)系式，用于計算路表的工后變形。參考相關(guān)文獻(xiàn)，可收集到不同填土高度下工期沉降占總沉降的比值[7]。

公式（1）中：Y為工期沉降占總沉降的比例;X為路基填土高度。

路表工后沉降是影響路面使用性能的最直接原因，而有限元數(shù)值計算的是路表的總沉降，因此需要求出相應(yīng)的路表工后變形。根據(jù)表2計算結(jié)果和公式（1）計算出工后路表絕對沉降，然后建立路表工后變形與地基變形模量的關(guān)系。

1.4 高速公路路堤地基臨界變形模量計算

本文應(yīng)用ORGIN8.0對各變量進(jìn)行多元回歸，對各變量取對數(shù)后進(jìn)行回歸。

可得，基于路表工后絕對沉降標(biāo)準(zhǔn)的地基變形模量臨界值Ej：

LnEj=-0.528+1.263LnH-0.082LnE0+1.036Lnγ-

1.013LnSl （2）

公式（2）中：Ej為基于路表工后絕對沉降標(biāo)準(zhǔn)臨界地基土變形模量（MPa）;H為路堤填土高度（m）;E0為填土彈性模量（MPa）;γ為填土重度（kN/m3）;Sl為工后路表中心容許變形（cm）。

2 高速公路路堤地基設(shè)計方法研究

2.1 設(shè)計內(nèi)容

高速公路路堤地基設(shè)計缺乏系統(tǒng)的參考依據(jù)，在地基設(shè)計的合理性上有所欠缺。為提高高速公路路堤地基設(shè)計的科學(xué)性，以高速公路路堤路基的特點(diǎn)為基礎(chǔ)，研究的基于臨界變形模量的設(shè)計方法，為高速公路路堤地基的設(shè)計和施工提供科學(xué)的依據(jù)。公路路堤地基設(shè)計是在對地基強(qiáng)度的測試和判別的基礎(chǔ)上，確定公路路堤地基設(shè)計模量、比選公路地基處治方案、確定處治地基的變形模量和設(shè)計處治深度。

2.2 設(shè)計參數(shù)

2.2.1 地基設(shè)計模量

地基設(shè)計模量指在一定的路基荷載作用下地基應(yīng)滿足的最小模量，考慮地基安全性，地基設(shè)計模量應(yīng)滿足公式（3）的要求。

E=max（Ej，Eh，Ez）（3）

公式（3）中：E為地基設(shè)計模量;Ej為基于路表工后絕對沉降標(biāo)準(zhǔn)臨界地基土變形模量（MPa）。

2.2.2 處理層地基變形模量Ec

根據(jù)地基處治方法、處治地基材料及施工工藝等因素確定處理層地基變形模量。

2.2.3 地基處治深度h

對地基進(jìn)行處理時，僅需對一定深度的地基進(jìn)行處理，這將可能導(dǎo)致不同層位的地基變形模量不同，而對地基變形的控制是以地基綜合變形模量為控制指標(biāo)的。因此，要確定地基處理深度，應(yīng)該建立地基綜合變形模量E與地基處理深度d、處理層地基變形模量E1、未處理層地基變形模量E2的關(guān)系。

由于計算地基綜合變形模量E的最終目的是為了控制路表變形，因此根據(jù)路表變形等效原則，應(yīng)用數(shù)值計算模型、正交試驗思想和多元方程回歸建立地基當(dāng)量模量的計算公式。

應(yīng)用ORGIN8.0對正交試驗的自變量和因變量進(jìn)行多元回歸，回歸結(jié)果如下：

LnEd=0.345 5-0.142 27Lnh+0.405 33LnEc+0.516 63LnEx （4）

公式（4）中：Ed為地基綜合變形模量（MPa）;h為地基處理深度（m）;Ec為處理層地基變形模量（MPa）;Ex為未處理層地基變形模量（MPa）。

令地基綜合模量等于地基設(shè)計模量，即Ed=E;將處理層地基變形模量和未處理層地基模量Ex代入公式（4）即可求得地基處治深度h。

2.3 設(shè)計過程

公路地基處治是一個復(fù)雜的過程，應(yīng)綜合考慮多種因素的影響。本文的設(shè)計過程可簡要概括為以下幾個步驟：測試原地基的變形模量。確定路表沉降標(biāo)準(zhǔn)。? ?計算地基設(shè)計模量。確定地基處理方式。確定處理層地基變形模量。計算地基處治深度。

3 結(jié)語

在高速公路建設(shè)過程中，地基的設(shè)計與施工關(guān)系到整條高速公路的使用壽命，是重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)節(jié)。高速公路路基的穩(wěn)定性對建筑物路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有直接影響，同時極大程度地影響高速公路的行車舒適性。在我國高速公路路基當(dāng)中，填方路堤占有很大比例，是我國高速公路路基斷面常見形式之一。高速公路路堤地基的填土高度過高或者過低都不利于路基的穩(wěn)定，高速公路地基的重要性不言而喻。采用合理的方法進(jìn)行高速公路路堤地基設(shè)計，能保證地基設(shè)計的科學(xué)性，提高高速公路的建設(shè)質(zhì)量，延長使用壽命。本文研究的變形模量能夠很好地反映高速公路地基強(qiáng)度和穩(wěn)定性，也是高速公路地基處治和高速公路地基設(shè)計的主要技術(shù)參數(shù)。如何取得高速公路地基的變形模量，將直接影響高速公路路堤地基的設(shè)計。目前，我國使用的公路地基變形模量的測試方法有多種[8-9]，但這些方法是針對建筑工程地基而進(jìn)行研究設(shè)計的，對于施工條件更為復(fù)雜且影響因素更多的高速公路在路堤地基設(shè)計時并不能完全適用。本文通過有限元數(shù)值分析，采用正交試驗的方法，對影響公路地基變形的主要因素如地基土變形模量、路基填土高度、路基寬度、路基填土回彈模量、路基填土重度、邊坡坡度等進(jìn)行分析，建立路表工后變形與地基變形模量的關(guān)系，提出了處治地基的變形模量、設(shè)計處治深度的計算方法和計算公式，基于臨界地基變形模量提出了高速公路路堤地基設(shè)計方法，為公路路堤地基的設(shè)計提供依據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)

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