高速公路加寬工程路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力及適應(yīng)性研究

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(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.河北省高速公路管理局，河北 石家莊 050061；3.河北省高速公路京石改擴(kuò)建籌建處，河北 保定 071051)

0 引言

21世紀(jì)以來，高速公路的長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)，使得大部分道路已達(dá)到設(shè)計(jì)年限，早期建設(shè)的高速公路已不能滿足需求，需由原來雙向四車道加寬成雙向六車道甚至雙向八車道，公路改擴(kuò)建已成為高速公路建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)。然而，加寬的高速公路在開放交通后，新老路基產(chǎn)生的過大差異沉降會(huì)使路面結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生附加拉應(yīng)力，當(dāng)附加拉應(yīng)力大于路面結(jié)構(gòu)層的容許應(yīng)力時(shí)，將導(dǎo)致新老路面結(jié)合處產(chǎn)生裂縫，這勢(shì)必會(huì)降低路面的承載能力，影響道路的通暢和運(yùn)輸[1-2]。因此，高速公路加寬中如何防止路面開裂是一個(gè)亟待解決的問題。

楊建斌利用有限元法分析了瀝青路面加寬時(shí)差異沉降引起的附加應(yīng)力，通過調(diào)整路面參數(shù)探討了路基加寬的設(shè)計(jì)方法[3]。余?？√岢鰹榱嗽黾有吕下访娴倪B續(xù)性，需要在基層、下面層和中面層設(shè)置臺(tái)階，并就拼接臺(tái)階的施工工藝做了具體介紹[4]。曾慶春等結(jié)合佛開高速公路改擴(kuò)建工程，利用有限元法計(jì)算了加寬時(shí)新老路基差異沉降對(duì)路面結(jié)構(gòu)層的附加應(yīng)力，新老路基差異沉降對(duì)路面結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生的過大附加應(yīng)力會(huì)使路面發(fā)生破壞[5]。

采用有限元軟件建立計(jì)算模型，分析地基處理前后，新老路堤表面工后沉降和橫坡度變化規(guī)律；然后對(duì)路面結(jié)構(gòu)層在不同工后沉降條件下的附加應(yīng)力響應(yīng)進(jìn)行研究；最后通過改變新加寬路基基底的復(fù)合地基設(shè)計(jì)參數(shù)，對(duì)比各工況組合的路堤表面橫坡度變化規(guī)律和路面結(jié)構(gòu)層附加應(yīng)力回應(yīng)情況，從而制定合理的差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

1 工程概況

京港澳高速公路涿州(京冀界)—石家莊段運(yùn)營(yíng)20 a以來，交通量迅速增長(zhǎng)，服務(wù)水平已趨于飽和。因此，擴(kuò)建本段高速公路是十分必要的。依托京港澳高速公路涿州(京冀界)—石家莊段雙向四車道對(duì)稱加寬為雙向八車道改擴(kuò)建工程，選取某典型斷面進(jìn)行計(jì)算，路基填高為5.0 m，路面寬度為26 m加寬至42 m，邊坡斜率均為1∶1.5。根據(jù)地質(zhì)勘查資料，地面以下土層分別為4.5 m粉土，5.7 m淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，11.3 m粉質(zhì)黏土。

2 計(jì)算模型

2.1 計(jì)算假定

圖1 模型橫斷面

圖2 路面結(jié)構(gòu)層示意圖

(1)路基縱向足夠長(zhǎng)，三維空間問題可轉(zhuǎn)化為二維平面問題，按照平面應(yīng)變問題處理。

(2)老路基加寬后，新老路基間完全連續(xù)。

(3)新老路面標(biāo)高相同，不存在高差。

(4)路面各結(jié)構(gòu)層均為各向同性的彈性材料。

(5)地基處理采用的CFG樁體和土工格柵為線彈性材料，采用摩擦單元模擬樁-土和格柵-土之間的相互作用。

2.2 幾何模型

幾何模型取對(duì)稱半結(jié)構(gòu)，地基寬度取60 m，加寬前路面結(jié)構(gòu)層厚度為79 cm，加寬后路面結(jié)構(gòu)層厚度為85 cm。地基處理措施：采用復(fù)合地基樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)處理，樁體采用三角形布置，樁長(zhǎng)15.0 m，樁間距2.0 m，樁徑0.4 m。處理范圍：原有路基邊坡開挖的最后一級(jí)臺(tái)階內(nèi)緣至加寬后路基坡角處；填筑路基時(shí)在最下一級(jí)臺(tái)階和路床底部(位于地表以上4.0 m左右處)分別鋪設(shè)一層土工格柵，格柵長(zhǎng)度8 m。

處理后模型橫截面如圖1所示，路面結(jié)構(gòu)層簡(jiǎn)化示意圖如圖2所示。

2.3 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)地勘資料及試驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 計(jì)算參數(shù)

2.4 邊界條件與網(wǎng)格控制劃分

左邊界和地基右邊界y方向約束，上邊界和路基右邊界自由，下邊界y和z方向約束。加寬路基處理后，計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 網(wǎng)格劃分圖(地基處理后) 圖4 新老路堤表面工后沉降

2.5 求解計(jì)算

改擴(kuò)建路基加寬工程分析是一個(gè)非線性計(jì)算過程。因此，計(jì)算方法可選用小變形小應(yīng)變收斂準(zhǔn)則，即首先假設(shè)第i步的荷載Fi和相應(yīng)的位移δ為已知條件，然后將荷載增至第i+1步，此時(shí)Fi+1=Fi+ΔF，進(jìn)而求解相應(yīng)位移δi+1=δi+Δδ，當(dāng)ΔF足夠小時(shí)，方程的解收斂[6]。

2.6 路基加寬工后沉降規(guī)律

地基處理前后，新老路堤表面工后沉降曲線如圖4所示。從圖4可知，路堤表面工后沉降曲線大致呈“勺”形，在新路肩附近達(dá)到最大值。未處理時(shí)20 a后的路堤表面沉降達(dá)到6.7 cm。處理后沉降值減小至2.2 cm，其原因在于地基經(jīng)樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)處理后，大大減小了地基部分沉降，從而使得路堤表面的工后沉降隨之減小。

2.7 路基加寬橫坡度變化規(guī)律

對(duì)于高速公路改擴(kuò)建工程，橫坡度是判斷路面是否開裂的重要指標(biāo)。較大的橫坡度雖有利于路面排水，但同時(shí)會(huì)使路面產(chǎn)生裂縫，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，嚴(yán)重影響行車安全。因此，必須對(duì)地基和新路基進(jìn)行處理，減小路基的橫坡度，保證行車安全。結(jié)合路基加寬工后沉降數(shù)據(jù)，得出地基處理前后工后20 a的橫坡度，如表2所示。

表2 橫坡度變化表 %

從表2中可看出，處理后，新老路基工后20 a的新路橫坡度和新老路橫坡度已明顯減小，其減小程度分別為55%和58%，但對(duì)于老路橫坡度而言，處理前后的減小程度為34%，三者減小程度最小。其原因?yàn)槔下坊压探Y(jié)完成，新路附加荷載對(duì)老路橫坡度影響較小，而新路基未經(jīng)固結(jié)過程，所以，新路基經(jīng)地基處理后，新路堤橫坡度的減小程度大于老路堤。

3 路面結(jié)構(gòu)層附加應(yīng)力響應(yīng)分析

為研究路面結(jié)構(gòu)層對(duì)工后沉降的附加應(yīng)力響應(yīng)，需判斷路面附加應(yīng)力是否大于路面結(jié)構(gòu)層的容許應(yīng)力，只有當(dāng)路面附加應(yīng)力小于容許應(yīng)力時(shí)，才能保證路面結(jié)構(gòu)層安全。

3.1 路面結(jié)構(gòu)層容許應(yīng)力計(jì)算

通過對(duì)路面結(jié)構(gòu)層進(jìn)行力學(xué)分析，得出各結(jié)構(gòu)層的容許應(yīng)力如表3所示。

表3 路面結(jié)構(gòu)層容許應(yīng)力

3.2 處理前路面結(jié)構(gòu)層附加應(yīng)力響應(yīng)分析

由于新老路基固結(jié)沉降程度不同，新路基在填筑完成后所產(chǎn)生的沉降量大于老路基沉降量。因此，新路基填筑完成后，新路面會(huì)因工后差異沉降的存在而產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，在車輛荷載的作用下，附加應(yīng)力會(huì)更大。新路竣工運(yùn)營(yíng)20 a后，路堤表面最大工后沉降為6.7 cm，在此沉降變形影響下，路面各結(jié)構(gòu)層的拉應(yīng)力云圖如圖5所示。

從圖5中可以看出，新老路面結(jié)構(gòu)層在差異沉降的作用下表現(xiàn)為拉應(yīng)力，路面結(jié)構(gòu)層的最小拉應(yīng)力位于老路面表層距老路中心1.0 m左右處，該處的路面材料為改性瀝青瑪蹄脂碎石(SMA-13)，最小拉應(yīng)力值約為0.086 MPa；最大拉應(yīng)力位置距老路中心14.2 m處(新老路面結(jié)合處附近)，該處為新路面基層，對(duì)應(yīng)的路面材料為水泥粉煤灰碎石底基層，最大拉應(yīng)力為1.369 MPa。

因新老路面層的材料和容許應(yīng)力各不相同，所以，不能僅通過路面層的拉應(yīng)力一個(gè)角度進(jìn)行評(píng)價(jià)，為此，提出了強(qiáng)度發(fā)揮率和應(yīng)力控制層[7]兩個(gè)概念。強(qiáng)度發(fā)揮率可反映路面結(jié)構(gòu)層的應(yīng)力發(fā)揮程度或強(qiáng)度利用率，即路面結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力與容許應(yīng)力的比值。最大強(qiáng)度發(fā)揮率所在的路面結(jié)構(gòu)層則被稱為應(yīng)力控制層。由此得出各路面結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度發(fā)揮率曲線，如圖6所示。從圖6中可以看出，大部分路面結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度發(fā)揮率大于1.0，即路面結(jié)構(gòu)層附加應(yīng)力均超出容許應(yīng)力，僅在距老路中心5 m范圍內(nèi)的改性瀝青瑪蹄脂碎石(SMA-13)強(qiáng)度發(fā)揮率小于1.0。其中底基層發(fā)揮率最大，對(duì)應(yīng)的路面材料為低劑量水泥穩(wěn)定碎石，即為應(yīng)力控制層。

圖5 路面結(jié)構(gòu)層拉應(yīng)力云圖 圖6 各路面結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度發(fā)揮率

3.3 處理后路面結(jié)構(gòu)層附加應(yīng)力回應(yīng)分析

地基處理后，新路竣工運(yùn)營(yíng)20 a后，路堤表面最大工后沉降為2.2 cm，在此沉降變形作用下，路面各結(jié)構(gòu)層的拉應(yīng)力云圖，如圖7所示。

由圖7可看出，處理后的新老路面結(jié)構(gòu)層在差異沉降的作用下仍表現(xiàn)為拉應(yīng)力，但附加應(yīng)力值已明顯減小，最小拉應(yīng)力位于老路中心附近，該處的結(jié)構(gòu)層材料為改性瀝青瑪蹄脂碎石(SMA-13)，最小拉應(yīng)力值為0.023 MPa，比處理前減小了73%。最大拉應(yīng)力位置距老路中心13.0 m處(新老路面結(jié)合處附近)，該處為新路面面層，對(duì)應(yīng)的路面材料為粗粒式瀝青混凝土(AC-25)，最大拉應(yīng)力值為0.150 MPa，附加應(yīng)力比處理前減小了89%。

處理后各路面結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度發(fā)揮率最大值曲線，如圖8所示。從圖8可看出，處理后，路面結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度發(fā)揮率均小于1.0，滿足路面結(jié)構(gòu)容許應(yīng)力要求，雖然路面結(jié)構(gòu)層的最大應(yīng)力層位于新路面面層，但最大的強(qiáng)度發(fā)揮率所在位置為路面底基層，對(duì)應(yīng)的路面材料為低劑量水泥穩(wěn)定碎石，即為應(yīng)力控制層。

圖7 樁網(wǎng)復(fù)合地基處理后路面結(jié)構(gòu)層附加應(yīng)力云圖 圖8 處理后路面結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度發(fā)揮率

4 工后差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)分析

在路面結(jié)構(gòu)層不發(fā)生開裂的前提下，采取經(jīng)濟(jì)有效的地基處理方案，不僅能保障道路的通行安全，而且能降低工程造價(jià)，節(jié)約成本，這就需要制定合理的新老路基工后差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。首先，逐次改變樁體參數(shù)，即樁體模量、樁體長(zhǎng)度和樁體間距；確定樁體參數(shù)后，再逐次改變格柵參數(shù)，即格柵模量和格柵長(zhǎng)度，對(duì)比不同工況組合的橫坡度和強(qiáng)度發(fā)揮率變化規(guī)律，最終確定合理的差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)和處理方案。

4.1 不同樁體工況下指標(biāo)對(duì)比分析

樁體模量分別選取5.0 GPa、10.0 GPa、15.0 GPa、20.0 GPa和25.0 GPa，樁體長(zhǎng)度分別選取10 m、15 m、20 m和25 m，樁體間距分別選取1.6 m、2.0 m、2.5 m、3.3 m和5.0 m，不同工況組合的橫坡度和強(qiáng)度發(fā)揮率曲線，如圖9～圖11所示。

圖9 不同樁體模量指標(biāo)對(duì)比

圖10 不同樁體長(zhǎng)度指標(biāo)對(duì)比 圖11 不同樁體間距指標(biāo)對(duì)比

由圖9～圖11可知，當(dāng)樁體模量10.0 GPa，樁體長(zhǎng)度15 m，樁體間距為2.0 m時(shí)，強(qiáng)度發(fā)揮率為0.9，對(duì)應(yīng)的橫坡度為0.50%，此時(shí)，各路面結(jié)構(gòu)層的附加應(yīng)力均小于容許應(yīng)力，滿足要求。

4.2 不同格柵工況下指標(biāo)對(duì)比分析

樁體參數(shù)確定后，逐次改變格柵參數(shù)，格柵模量分別選取0.1 GPa、0.5 GPa、1.0 GPa、1.5 GPa和2.0 GPa，格柵長(zhǎng)度分別選取4 m、5 m、6 m、7 m和8 m，不同工況組合的橫坡度和路面結(jié)構(gòu)層強(qiáng)度發(fā)揮率曲線，如圖12和圖13所示。

圖12 不同格柵模量指標(biāo)對(duì)比 圖13 不同格柵長(zhǎng)度指標(biāo)對(duì)比

由圖12、圖13可知，當(dāng)選取格柵模量1.0 GPa，格柵長(zhǎng)度7 m時(shí)，強(qiáng)度發(fā)揮率為0.96，橫坡度為0.54%，由此可知，格柵的參數(shù)對(duì)強(qiáng)度發(fā)揮率和橫坡度的影響較小。各路面結(jié)構(gòu)層附加應(yīng)力均小于容許應(yīng)力，滿足要求。

綜合以上工況組合并考慮新老路基和路面結(jié)構(gòu)層的安全系數(shù)，將該新老路基的差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)值減小至0.5%，此時(shí)對(duì)應(yīng)的處理方案如表4所示。

表4 處理措施

5 結(jié)論

結(jié)合京港澳高速公路涿州(京冀界)—石家莊段改擴(kuò)建工程，分析了地基處理前后，新老路堤表面工后沉降和橫坡度的變化規(guī)律，研究了工后沉降作用下的路面結(jié)構(gòu)層附加應(yīng)力響應(yīng)，計(jì)算了路面結(jié)構(gòu)層的強(qiáng)度發(fā)揮率，并確定了應(yīng)力控制層，制定了合理的差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)濟(jì)有效的地基處理措施。主要結(jié)論如下：

(1)路堤表面工后沉降曲線大致呈“勺”形，處理前，工后沉降最大值為6.7 cm，地基處理后，工后沉降值減小至2.2 cm。原因在于地基處理使地表沉降明顯減小，路堤表面工后沉降也隨之減小。

(2)地基處理前后，新老路面結(jié)構(gòu)層均表現(xiàn)為拉應(yīng)力，且最大強(qiáng)度發(fā)揮率所在位置為路面底基層，對(duì)應(yīng)的路面材料為低劑量水泥穩(wěn)定碎石，即為應(yīng)力控制層。

(3)通過改變樁體和格柵參數(shù)，組合不同工況并考慮安全系數(shù)，得出差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為0.5%，其對(duì)應(yīng)的地基處理方案為樁體模量為10.0 GPa、樁體長(zhǎng)度為15 m、樁體間距為2.0 m；格柵模量為1.0 GPa、格柵長(zhǎng)度為7 m。

參 考 文 獻(xiàn)

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