基于穩(wěn)定和變形計(jì)算的拓寬工程舊路縱向裂縫成因分析

萬 莉（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017）

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基于穩(wěn)定和變形計(jì)算的拓寬工程舊路縱向裂縫成因分析

萬 莉
（蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210017）

結(jié)合典型舊路拓寬工程出現(xiàn)的縱向裂縫，針對舊路地基未進(jìn)行處理，新路采用復(fù)合地基處理的情況，采用極限平衡、數(shù)值模擬等方法進(jìn)行穩(wěn)定、變形計(jì)算。在驗(yàn)證模型正確性的基礎(chǔ)上，對新舊路堤變形性狀進(jìn)行了詳細(xì)分析，根據(jù)分析結(jié)果研究舊路縱向裂縫的成因，并提出處治方案。

舊路改造；縱向裂縫；變形分析；數(shù)值模擬；地基處理

為解決不斷增長的交通量與現(xiàn)有道路通行能力的矛盾，需對舊路進(jìn)行拓寬改造，擴(kuò)大通行能力。舊路改造后，由于新舊路堤間的差異沉降，可能造成道路基底脫空，從而引起路面縱向開裂。特別是新路地基采用復(fù)合地基處理而舊路未處理的橋頭、通道等構(gòu)造物路段，從新路堤填筑施工開始，新舊路堤間就存在相互作用，從而對舊路的服務(wù)性能和行車安全產(chǎn)生影響，嚴(yán)重的會(huì)引起舊路路面產(chǎn)生縱向開裂。因此，本文結(jié)合某拓寬工程橋頭段舊路出現(xiàn)的縱向裂縫，對其變形性狀及成因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)對策。

1　工程概況

某省道橋頭位于連云港市中南部地區(qū)，采用單側(cè)拓寬方式，增加兩個(gè)車道拓寬為雙向4車道一級公路。路基特殊性巖土主要為②2層淤泥質(zhì)粘土，層頂埋深1.8 m，層厚15.7 m。拓寬前右幅舊路經(jīng)多年運(yùn)行已基本固結(jié)穩(wěn)定，左幅新路地基軟土采用濕噴樁處理，新路路面高于舊路路面約0.9 m。通車一年后，舊路路面出現(xiàn)2～10 mm寬的縱向裂縫，見圖1。

圖1　舊路路面縱向裂縫

2　路基穩(wěn)定性分析

左幅新路堤臨河，在通車后河水水位曾發(fā)生過驟降。針對這一情況，本文采用在我國水利行業(yè)中廣泛使用的Autobank［1］軟件進(jìn)行計(jì)算，該軟件可通過滲流計(jì)算確定浸潤線，并可考慮水位驟降工況進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。路基土自上而下分布有②1粉質(zhì)粘土、②2淤泥質(zhì)粘土、⑤2粉土夾粉質(zhì)粘土、⑤3粉砂夾粉土、⑥1粉質(zhì)粘土、⑥2粉質(zhì)粘土、⑥2a粉砂，各土層計(jì)算參數(shù)見表1。濕噴樁采用梅花形布置，樁間距為1.3 m，樁端穿過軟土層，處理區(qū)域采用復(fù)合模量法進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》，濕噴樁的樁身強(qiáng)度折減系數(shù)η可在0.3～0.4范圍內(nèi)取值，本次計(jì)算濕噴樁的抗剪強(qiáng)度取200 kPa，內(nèi)摩擦角取20°。

采用Autobank軟件按有效應(yīng)力法計(jì)算得到的路基整體穩(wěn)定安全系數(shù)見表2，滑動(dòng)面位置（運(yùn)營期）見圖2。

表1　各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)

表2　整體穩(wěn)定安全系數(shù)

圖2　滑動(dòng)面位置（運(yùn)營期）

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，右幅舊路出現(xiàn)的縱向裂縫無明顯錯(cuò)距，同時(shí)檢查舊路坡腳也未發(fā)現(xiàn)明顯的向右側(cè)變形凸起的現(xiàn)象。結(jié)合上述施工期和運(yùn)營期1的計(jì)算成果，基本排除裂縫屬于滑動(dòng)剪切裂縫的可能。從運(yùn)營期2的計(jì)算成果來看，水位驟降對左幅新路有一定影響，穩(wěn)定安全系數(shù)降低0.03，且滑動(dòng)圓弧上移；右幅舊路未受水位驟降影響，穩(wěn)定安全系數(shù)和滑動(dòng)面位置均無變化。

3　變形分析

3.1模型建立和參數(shù)選擇

本文采用大型通用有限元軟件Plaxis［2］，該軟件包括固結(jié)、滲流、變形等模塊，可采用多種成熟的本構(gòu)模型。為獲得較高的計(jì)算精度，模擬時(shí)采用15節(jié)點(diǎn)4階三角形單元。由于濕噴樁屬于柔性樁，假設(shè)樁土間無相對位移，因而不設(shè)置接觸面單元，同時(shí)將濕噴樁簡化為同厚度的樁墻，采用線彈性模型進(jìn)行模擬。

對于粉質(zhì)粘土、粉砂等土層采用摩爾-庫倫模型模擬。深厚的②2淤泥質(zhì)粘土層采用Soft soil模型模擬。Soft soil模型中的修正壓縮指數(shù)m*和修正膨脹指數(shù)k*按下式計(jì)算：

式中：m*為修正壓縮指數(shù)；Cc為壓縮指數(shù)，按文獻(xiàn)［3］計(jì)算；e為孔隙比；k*為修正膨脹指數(shù)；Cs為回彈指數(shù)，按文獻(xiàn)［3］ 計(jì)算。

按上式計(jì)算得到的m*和k*分別為0.048和0.011。其余計(jì)算參數(shù)見表1。

3.2總沉降和水平位移分析

按照實(shí)際工況進(jìn)行模擬的沉降等值線及總沉降曲線見圖3，采用規(guī)范方法運(yùn)用理正巖土軟件計(jì)算得到的總沉降曲線見圖4。

圖3　沉降等值線及地基表面總沉降（Plaxis計(jì)算）

從圖中可以看出，兩曲線所反映的地基表面沉降特征基本一致，最大沉降均發(fā)生在舊路超車道上，接近圖1中的縱向裂縫所在位置。該結(jié)果不同于舊路地基采用復(fù)合地基處理的情況，最大沉降主要產(chǎn)生于舊路路肩至新路范圍內(nèi)［4］。由于Plaxis計(jì)算結(jié)果體現(xiàn)了路堤水平位移的影響，其計(jì)算得到的總沉降大于理正巖土計(jì)算結(jié)果。總體來看，兩者計(jì)算結(jié)果的誤差在可接受的范圍內(nèi)，所建立的數(shù)值模型基本合理，能夠正確反映路堤固結(jié)沉降性狀。

圖4　地基表面總沉降（理正巖土計(jì)算）

地基表面水平位移曲線見圖5。新路填筑在舊路邊坡位置，由于新舊路堤間的相互作用，舊路路堤發(fā)生向右側(cè)滑移的趨勢，且水平位移隨著水平距離的增大逐漸增加，在靠近舊路路肩附近開始逐漸減小。由于濕噴樁對水平位移的約束作用，使得新路路堤的水平位移較小，最大處不超過3 cm。

圖5　地基表面水平位移曲線

3.3工后沉降分析

新路采用濕噴樁處理，舊路工后沉降大于新路（見圖6）。究其原因是新路采用濕噴樁處理后其剛度顯著增加，主要發(fā)生瞬時(shí)沉降，大部分沉降在施工期已經(jīng)完成。而舊路未處理或沒有很好的排水通道，其受新路荷載影響產(chǎn)生的超孔隙水壓力消散較慢，很大部分沉降在工后才能完成。由此導(dǎo)致舊路對新路產(chǎn)生下拉作用，路面轉(zhuǎn)向舊路中心移動(dòng)，舊路路面更容易開裂。

圖6　地基表面工后沉降曲線

4　縱向裂縫成因及對策

4.1縱向裂縫成因

路面縱向裂縫的成因很多，通過穩(wěn)定分析排除了滑動(dòng)剪切裂縫的可能以及水位驟降的影響。根據(jù)變形分析成果，綜合勘察、設(shè)計(jì)、施工資料，從如下幾個(gè)方面分析縱向裂縫成因。

（1）舊路軟土地基固結(jié)和蠕變

由于新舊路堤之間緊密連接，新路的自重荷載以及車輛荷載的一部分通過舊路堤傳到舊路地基，特別是在新路路面高于舊路路面的情況下，舊路作為荷載傳遞的載體更加明顯。導(dǎo)致舊路地基土在附加應(yīng)力作用下產(chǎn)生固結(jié)，附加沉降加大，而新路由于其應(yīng)力部分?jǐn)U散到舊路地基上，沉降反而減小。此外，一般路堤中部沉降速率先減小并趨于穩(wěn)定，而兩側(cè)底部軟土層由于產(chǎn)生蠕變變形，路面受力由壓變拉，在路堤中部出現(xiàn)縱向裂縫。

（2）軟硬地基間的差異沉降

為充分利用舊路，本項(xiàng)目保留原舊路結(jié)構(gòu)，舊路瀝青銑刨后分層攤鋪水穩(wěn)，上面攤鋪8 cm Sup-20瀝青砼，地基未作處理。圖6成果顯示新舊路堤間的工后最大差異沉降為3.1 cm，差異沉降在控制范圍內(nèi)。從圖3總沉降曲線來看，新舊路堤施工期差異沉降較大，導(dǎo)致舊路原半剛性基層在施工期已產(chǎn)生一定量的變形，隨著上部荷載的施加，其出現(xiàn)裂縫并反射到上部新鋪水穩(wěn)和面層，導(dǎo)致路面發(fā)生開裂。

（3）兩側(cè)邊坡受降雨侵蝕變形

本項(xiàng)目路堤邊坡一直未按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行防護(hù)，坡面排水不暢，由于降水侵蝕，部分雨水滲入路堤中，導(dǎo)致其含水率增加、力學(xué)強(qiáng)度出現(xiàn)不同程度的降低，從而加速了路面的破壞。

（4）半剛性基層結(jié)構(gòu)性破壞

半剛性基層瀝青路面是我國高等級公路路面的主要形式，在行車荷載特別是車輛超載荷載的作用下，基層底部的拉應(yīng)力大于材料的抗拉強(qiáng)度時(shí)，半剛性基層底部很快會(huì)發(fā)生開裂，在行車荷載的反復(fù)作用下逐步擴(kuò)展到上部，使得面層發(fā)生裂縫［5］。

4.2對策分析

為了避免裂縫的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)采取了對舊路邊坡開挖臺階、提高路基填土的壓實(shí)度、在新舊路堤結(jié)合處鋪設(shè)土工格柵等措施，從而避免了在新舊路堤結(jié)合處出現(xiàn)縱向裂縫。但由于對舊路變形機(jī)理認(rèn)識欠缺、施工和設(shè)計(jì)的不足，還是導(dǎo)致舊路出現(xiàn)縱向裂縫。

在弄清此類裂縫成因的基礎(chǔ)上，一般采用瀝青填補(bǔ)養(yǎng)護(hù)、盡快實(shí)施邊坡防護(hù)等措施進(jìn)行處理。裂縫處理最好采用土工合成材料，這樣不僅可以封閉裂縫，還可以增加路面的抗拉強(qiáng)度，抑制反射裂縫的發(fā)生。（1）對于縫寬在5 mm以內(nèi)且已穩(wěn)定的縱向裂縫，銑刨原瀝青面層后，直接灌入乳化瀝青，噴灑粘層油后，然后進(jìn)行路面加鋪施工。（2）對于縫寬大于5 mm或裂縫還在繼續(xù)發(fā)展的情況，在裂縫兩側(cè)各50 cm范圍內(nèi)開槽，開槽深至基層頂部，后沿裂縫灌入乳化瀝青混合料（機(jī)制砂或石屑），在基層頂部粘附聚酯玻纖布后方可進(jìn)行路面加鋪施工。對于基層有明顯損壞的區(qū)域，可采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)代替原基層，以增強(qiáng)基層的抗裂性能。

5　結(jié)語

《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》僅簡單規(guī)定了拓寬工程沉降控制標(biāo)準(zhǔn)：舊路與新路的路拱橫坡度的工后增大值不大于0.5%。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)還會(huì)按新路堤總沉降小于15 cm，工后沉降小于5 cm進(jìn)行控制。但是，對于高填土路堤中舊路地基沉降，規(guī)范未給出明確的規(guī)定，設(shè)計(jì)和施工認(rèn)識也不足。同時(shí)，由于路堤含水率增加、強(qiáng)度降低以及半剛性基層結(jié)構(gòu)性破壞，導(dǎo)致舊路產(chǎn)生縱向裂縫。

如果在設(shè)計(jì)、施工過程中對舊路縱向裂縫成因有充分估計(jì)，采取一定措施，就可以減少或延緩裂縫的產(chǎn)生。同時(shí)，路面發(fā)生裂縫后一定要及時(shí)進(jìn)行封閉處理，防止雨水侵入半剛性基層，盡可能減小路面裂縫的發(fā)展。

［1］杜守來. Autobank軟件在土壩滲流穩(wěn)定計(jì)算中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2012（6）：252-254.

［2］蔣鑫，凌建明，邱延峻.軟土地區(qū)加筋土路基大變形固結(jié)有限元分析［J］.地下空間與工程學(xué)報(bào)，2008，4（1）：66-69.

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［4］陳磊.軟土地基上高速公路加寬工程沉降變形數(shù)值模擬及地基處理優(yōu)化研究［D］.南京：河海大學(xué)，2008.

［5］李思水，汪為奇.瀝青混凝土路面半剛性基層層底裂縫斷裂力學(xué)分析［J］.公路，2005（6）：70-75.

Cause Analysis of Old Road Longitudinal Crack for Widening Engineering Based on Stability and Deformation Calculation

Wan Li
（JSTI Group， Nanjing 210017， China）

Combining with the longitudinal crack phenomenon which appears within the typical widening engineering of old road， this paper focuses on the situation which the foundation treatment is not done on the old road while composite foundation processing is used on the new road. Stability and deformation calculation are completed with several ways such as limit equilibrium and numerical simulation. Based on the confirmation of the correctness of model， it analzes the deformation behavior of the old and new embankment in detail and researches the cause of longitudinal crack， and finally solution for this situation is proposed.

old road rebuilding； longitudinal crack； deformation analysis； numerical simulation； foundation treatment

U416.217

A

1672-9889（2016）02-0001-03

萬莉（1979-），女，江蘇南通人，工程師，主要從事路橋設(shè)計(jì)工作。

（2015-12-08）