某軟土地區(qū)高速公路路基路面拓寬技術(shù)研究

【摘 要】我國東部沿海地區(qū)的高速公路大多建于軟土地基之上，所以軟基高速公路拓寬工程將成為今后高速公路建設(shè)的重要組成部分。軟土地基段高速公路改擴(kuò)建工程和新建工程相比無論是對設(shè)計、施工技術(shù)的要求還是施工的難度上看都要大得多。由此可以看出對軟土路基的研究并提出適合軟土的路基處理方法顯得尤為重要。在本次研究中，首先對工程地質(zhì)情況進(jìn)行全面的了解。

【關(guān)鍵詞】軟土路基

一、引言

近年來隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國的高速公路需要進(jìn)一步地拓寬。而東部沿海地區(qū)的高速公路大多建于軟土地基之上，所以軟基高速公路拓寬工程日漸成為今后高速公路建設(shè)的重要組成部分。軟土，就是強(qiáng)度較低而壓縮性又較高的軟弱土層。通常，在軟土地基上擴(kuò)建或者修筑路基，若不加以及時正確的處理，經(jīng)常會導(dǎo)致路基發(fā)生失穩(wěn)或者過量的沉陷，從而使公路破壞或者不能夠正常地使用。因此軟土地基段高速公路改擴(kuò)建工程和新建工程相比對計、施工技術(shù)的要求非常高，而且施工的難度也很大。未來十年，國家將改擴(kuò)建數(shù)千公里的高速公路，相當(dāng)一部分早期建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)相對較低的高速公路均位于東部沿海軟土地區(qū)，因此，軟土區(qū)高速公路改擴(kuò)建工程成套技術(shù)的研究正越來越引起國家相關(guān)部門的高度重視。

在國外，軟土路基的柔性路面上有限元素模型的研究中，通過路面模型和現(xiàn)場數(shù)據(jù)模型驗證、，認(rèn)為在已知的路面材料特性的情況下，在軟土基礎(chǔ)上的柔性鋪面的有限元模型，可以用來準(zhǔn)確預(yù)測路面響應(yīng)循環(huán)車輪荷載。發(fā)達(dá)的有限元模型與在實(shí)地測量和預(yù)測的反應(yīng)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)其與實(shí)測值能夠很好地吻合。然而，觀察到的差異，可以通過考慮將非均勻的輪胎接觸壓力的影響以及可能的車輪負(fù)荷的速度和頻率的影響最小化。

二、土體沉降理論

我們利用 ansys 確定軟土路基的沉降量，而沉降計算深度可由分層總和法確定。假定軟土路基為彈性半無限體；在壓縮時，土體不會產(chǎn)生側(cè)向變形（這與 ansys 中所加的邊界條件一致）；只考慮豎向應(yīng)力作用下的沿豎直方向的變形。由于天然路基的不均勻性，例如隨著土體深度的增加，其參數(shù)及附加應(yīng)力會發(fā)生變化，所以需要把土體分成許多層，各個分層的應(yīng)力及力學(xué)特性變化相對較小，可選取其平均值。分別計算每一層的壓縮變形之后將其相加，即可得到總的沉降量。這便是分層總和法理論。按照上述理論，路基沉降的計算深度一般按照附加應(yīng)力不大于自重應(yīng)力的百分之二十的深度取用。如果遇到高壓縮性土，則應(yīng)該繼續(xù)向下計算至附加應(yīng)力不大于自重應(yīng)力的百分之十處為宜。根據(jù)地質(zhì)資料表明，一般在 10m 以內(nèi)為淤泥質(zhì)土的地板埋深，且這些淤泥質(zhì)土壓縮性高，孔隙比高，壓縮系數(shù)最大可達(dá) 0.8MPa-1 以上。淤泥質(zhì)土層之下為粉質(zhì)粘土，故設(shè)置模型土工格柵一下 10 米之內(nèi)為淤泥質(zhì)土，10～25 米范圍內(nèi)為粉質(zhì)粘土。路基材料參數(shù)按表 2-2-1 取用，經(jīng)過計算，確定路基沉降的計算深度為 25 米。

三、有限元理論

隨著計算機(jī)的發(fā)展，有限元這種有效地數(shù)值分析方法也逐漸地發(fā)展起來。自從二十世紀(jì)四、五十年代開始，其來自于工程師對于結(jié)構(gòu)中某種相似性近乎直覺的判斷以及從固體力學(xué)中發(fā)展而成的矩陣位移法。從固體力學(xué)的角度看，標(biāo)準(zhǔn)離散系統(tǒng)例如桁架結(jié)構(gòu)等與人為地來分割成為有限個分區(qū)以后，連續(xù)的有限元系統(tǒng)在其結(jié)構(gòu)上存在著一定的相似性。有限元法的基本思想是：將連續(xù)的結(jié)構(gòu)分割成數(shù)目有限的小單元，通常稱之為單元。在數(shù)目有限的指定點(diǎn)（通常稱之為節(jié)點(diǎn)）上，這些小單元彼此之間相互連接。用這些小單元體組成的集合體來代替原有的連續(xù)結(jié)構(gòu)。再按彈性力學(xué)中的虛功原理把每個小單元上實(shí)際作用的外載荷分配到單元節(jié)點(diǎn)上，構(gòu)成等效節(jié)點(diǎn)力，最后按結(jié)構(gòu)實(shí)際約束的情況來決定受約束點(diǎn)的約束。通常這一過程被稱為結(jié)構(gòu)的離散化。然后，選擇一個簡單地函數(shù)來近似地表示每一個小單元位移量的分布規(guī)律，并依照彈性力學(xué)中的變分原理建立起節(jié)點(diǎn)位移和單元節(jié)點(diǎn)力之間的關(guān)系（通常稱之為單元剛度方程）。最后，把全部單元的節(jié)點(diǎn)位移和節(jié)點(diǎn)力之間的關(guān)系組集起來，便可以得到一組代數(shù)方程，其以節(jié)點(diǎn)位移為未知量，稱為總體剛度方程。與此同時需考慮結(jié)構(gòu)的約束情況，將結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)位移為零的方程消去，再通過最后的代數(shù)方程組可以得到結(jié)構(gòu)上有限個節(jié)點(diǎn)的各個位移的分量。之后，便可由單元的物理方程和幾何方程求得各個單元的應(yīng)變和應(yīng)力分量。

四、結(jié)語

本文主要研究軟土地區(qū)高速公路基的拓寬技術(shù)，通過資料可知應(yīng)用土工格柵可以有效改善路基受力條件。在自重應(yīng)力的作用下，新舊路基之間將會出現(xiàn)變形沉降不均勻的情況，后來加寬擴(kuò)建部分的變形沉降較大。并且通過對模型各個部位進(jìn)行應(yīng)力分析，在自重應(yīng)力作用下的路基模型應(yīng)力分布云圖分析可以發(fā)現(xiàn)，在擴(kuò)建后新舊路基的交界處存在著一個剪應(yīng)力相對來說較大的應(yīng)力帶。所以交界處一定要按照規(guī)范嚴(yán)格進(jìn)行開挖等技術(shù)性的處理，否則在填方高度過大的時候，容易發(fā)生各種病害現(xiàn)象，例如邊坡滑塌等。因此在環(huán)渤海地區(qū)進(jìn)行路基擴(kuò)建工程時，建議采用土工格柵進(jìn)行新老路基之間的相互拼接。

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