向 堯,曾 顏
(1.湖南省張家界市交通建設(shè)工程造價(jià)管理站,湖南張家界427000;2.長(zhǎng)沙理工大公路工程試驗(yàn)檢測(cè)中心,湖南長(zhǎng)沙410000)
高速公路對(duì)于地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用,快速、便捷、高效的高速公路網(wǎng)絡(luò),是不同地區(qū)之間經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵所在,隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,交通運(yùn)輸行業(yè)也在不斷的發(fā)展,各種運(yùn)輸車的數(shù)量也在不斷地增加,導(dǎo)致我國(guó)部分高速公路通行能力嚴(yán)重不足,因此,高速公路的改擴(kuò)建工程十分的艱巨。對(duì)于高速公路改擴(kuò)建而言,路基的擴(kuò)建尤為的關(guān)鍵,因?yàn)閿U(kuò)建路基與原有路基的交界處通常會(huì)出現(xiàn)不均勻沉降的問(wèn)題,該問(wèn)題嚴(yán)重影響高速公路的施工質(zhì)量,因此,對(duì)改擴(kuò)建高速公路路基不均勻沉降影響因素的分析具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。
針對(duì)改擴(kuò)建道路不均勻沉降問(wèn)題,我國(guó)部分學(xué)者進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究,取得一定的成果。例如:鄭曉翔[1]以雙線評(píng)高速為例,探究水泥混凝土高速公路擴(kuò)建工程的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo),分別在基層防水、防雨與排水以及填料壓實(shí)等3個(gè)方面對(duì)路基沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè);郭振家、賈榮曉[2-3]等對(duì)不同類型的路基擴(kuò)建拼接問(wèn)題進(jìn)行了研究,得到不同的拼接類型下路基的沉降監(jiān)測(cè)值,發(fā)現(xiàn)分離式改擴(kuò)建路基其產(chǎn)生的不均勻沉降值較??;孫民剛、趙永成[4-5]等以葉信高速公路改擴(kuò)建工程為依托,認(rèn)為新舊路基的拼接過(guò)程中,應(yīng)當(dāng)著重做好防水處理,這是控制新舊路基不均勻沉降的關(guān)鍵。根據(jù)上述研究成果可知,目前針對(duì)改擴(kuò)建路基不均勻沉降問(wèn)題的研究主要針對(duì)于施工設(shè)計(jì)以及質(zhì)量監(jiān)控,而對(duì)于產(chǎn)生不均勻沉降的機(jī)理以及影響因素的研究較少,因此本文以武靖高速公路為例,以路基有效理論為依據(jù),運(yùn)用有限元計(jì)算軟件分析多種路基拓寬形式下,其不均勻沉降的分布規(guī)律,對(duì)高速公路改擴(kuò)建工程中的不均勻沉降控制具有一定的指導(dǎo)意義。
有效應(yīng)力理論是計(jì)算路基沉降的基礎(chǔ)理論,對(duì)于土體任意截面而言,截面所受的總應(yīng)力σ主要有土顆粒之間的有效應(yīng)力與土顆粒間隙之間的水以及空氣產(chǎn)生的孔隙應(yīng)力組成,其有效應(yīng)力公式如式(1)[6]:
式中:σ——土顆粒之間的總應(yīng)力;
σ′——土顆粒之間的有效應(yīng)力;
μa——空隙中空氣產(chǎn)生的應(yīng)力;
μw——土顆粒之間孔隙中水產(chǎn)生的應(yīng)力。
式中:F——土體假設(shè)截面的面積;
Fw——顆粒之間的接觸面積。
根據(jù)武靖高速公路的改擴(kuò)建工程實(shí)際情況,該路段的擴(kuò)建路基的填筑高度H為4~8m,路基坡比為1∶1.5。原有路基的寬度為24m,路面寬度為12m,路基加寬的形式有2種:一種為路基單側(cè)加寬見(jiàn)圖1,路基的底部與頂部分別加寬12m;另一種為雙側(cè)加寬見(jiàn)圖2,原有路基兩側(cè)的頂部與底部加寬6m。對(duì)原有路基土體以及新填筑土體進(jìn)行室內(nèi)外實(shí)驗(yàn),得到土體的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。
圖1 路基單側(cè)加寬計(jì)算模型
圖2 路基雙側(cè)加寬計(jì)算模型
表1 土體參數(shù)
為探究改擴(kuò)建路基不均勻沉降的影響因素與分布規(guī)律,同時(shí)根據(jù)武靖高速公路的實(shí)際情況,在規(guī)定擴(kuò)建路基寬度不變的情況下,確定計(jì)算方案。首先在數(shù)值計(jì)算軟件Geo-studio中的Sigma模塊中建立2種路基加寬形式的模型,將路基的填筑高度分別設(shè)置為4m、6m、8m,并在路基模型表面設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn),以便監(jiān)測(cè)路基表面的沉降值,檢測(cè)時(shí)間設(shè)置為150d。
圖3為單側(cè)路基加寬形式下監(jiān)測(cè)時(shí)間為150d時(shí)路基的沉降曲線,通過(guò)該圖可知:原有路基的沉降值可以忽略不計(jì),填方路基的沉降值較大;當(dāng)距離原有路基的位置相同時(shí),填方路基沉降值隨著填筑高度的增加而增大;相同的填筑高度H時(shí),距離原有路基越遠(yuǎn)其沉降值越大。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是:原有路基修筑的時(shí)間長(zhǎng),前期在車輛荷載與自然環(huán)境的影響下,其自身的固結(jié)沉降已經(jīng)完成,所以后期使用中基本不會(huì)出現(xiàn)沉降;距離原有路基越遠(yuǎn)或者填筑高度越大,其填方路基的厚度越大,其自身固結(jié)沉降的范圍也就越大。
圖4為當(dāng)填方單側(cè)路基加寬形式下最大沉降值隨時(shí)間的變化曲線,通過(guò)該圖可以得到,路基在150d時(shí)的最大沉降值為0.057m,當(dāng)沉降20d時(shí)其沉降值為0.027m,占總沉降值的47.4%,當(dāng)沉降50d時(shí)其沉降值達(dá)到了0.046m,占總沉降值的80.7%,而隨后沉降100d其沉降值不足總沉降值的20%,說(shuō)明路基在填筑完成初期其沉降值增長(zhǎng)較為明顯,隨著時(shí)間的增長(zhǎng)其沉降值的增加量越來(lái)越小。對(duì)單側(cè)加寬路基的沉降值進(jìn)行分析得到,其值與沉降時(shí)間呈對(duì)數(shù)關(guān)系,擬合得到的公式為:y=0.0125ln(x)-0.0059 ,其中R2=0.9601。
圖3 單側(cè)路基加寬形式下的沉降曲線
圖5 所示沉降時(shí)間為150d時(shí)雙側(cè)路基加寬形式下的沉降曲線,通過(guò)該圖可以得到:原有路基的基本上不存在沉降,填方路基存在明顯的沉降,并且沉降值以道路中心線為基準(zhǔn)對(duì)稱分布;距離道路中心線相同的位置,填方路基高度越大其沉降值也就越大,同時(shí),距離路基中心線越遠(yuǎn)其沉降值也就越大,這與單側(cè)路基加寬形式下的沉降值分布規(guī)律基本一致。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是:原有路基在前期使用過(guò)程中,在車輛荷載以及環(huán)境作用下,其自身的沉降變形已基本完成;距離道路中心線越遠(yuǎn)路基的填土厚度就越大,其沉降的預(yù)留空間也就越大。
圖4 單側(cè)路基加寬形式下最大沉降值隨時(shí)間的變化曲線
圖5 雙側(cè)路基加寬形式下的沉降曲線
圖6 為雙側(cè)路基加寬形式下最大沉降值隨時(shí)間的變化曲線,路基在填筑完成初期其沉降值增長(zhǎng)較為明顯,隨著時(shí)間的增長(zhǎng)其沉降值的增加量越來(lái)越小。當(dāng)將沉降時(shí)間為20d時(shí),單側(cè)加寬路基最大沉降值與雙側(cè)加寬路基最大沉降值分別為0.027m、0.023m,同樣,當(dāng)沉降時(shí)間為150時(shí),兩者的最大沉降值分別為0.057m、0.049m,說(shuō)明當(dāng)總體加寬長(zhǎng)度一樣時(shí),采用雙側(cè)加寬路基的形式,可以有效地減少路基的最大沉降量。對(duì)雙側(cè)加寬路基的沉降值進(jìn)行分析得到,其值與沉降時(shí)間呈對(duì)數(shù)關(guān)系,擬合得到的公式為:y=0.0116ln(x)-0.0062,其中R2=0.9544。
圖6 雙側(cè)路基加寬形式下最大沉降值隨時(shí)間的變化曲線
隨著改擴(kuò)建高速公路的逐漸增多,其新舊路基的不均勻沉降問(wèn)題日益突出,因此,對(duì)改道路擴(kuò)建工程中路基不均勻沉降的影響因素與分布規(guī)律進(jìn)行研究具有現(xiàn)實(shí)意義,本文得到的主要結(jié)論如下:
(1)距離原有路基越遠(yuǎn),填方路基的沉降值越大;填方路基的填筑高度越大,相同情況下其沉降值也就越大。
(2)當(dāng)路基加寬長(zhǎng)度一定時(shí),雙側(cè)加寬路基的形式與單側(cè)加寬路基的形式相比,前者可以有效地減少路基的最大沉降量。
(3)填方路基施工完成后,前期沉降值增長(zhǎng)較為明顯,隨后增長(zhǎng)值逐漸減小,且填方路基的沉降值與沉降時(shí)間服從對(duì)數(shù)分布。
[1] 鄭曉翔,黃翠云.公路拓寬改建工程路基施工技術(shù)實(shí)際應(yīng)用研究[J].黑龍江交通科技,2013(11):35-36.
[2] 郭振家,萬(wàn)俊坡.公路路基改擴(kuò)建工程拼接技術(shù)探討[J].技術(shù)與市場(chǎng),2016,23(7):167,169.
[3] 賈榮曉.高速公路改擴(kuò)建路基路面施工期間交通組織方案[J].交通世界,2016(18):16-17.
[4] 孫民剛,潘國(guó)強(qiáng),崔穎超,等.高速公路路基拓寬新老路基搭接施工技術(shù)[J].中外公路,2007,27(4):40-42.
[5] 趙永成.高速公路改擴(kuò)建新舊路基銜接技術(shù)[J].交通世界,2016(17):4-5,136.
[6] Terzaghi K.Erdbaumechanik and Bodenphysikalischer Grund?lage,Lpz.Deuticke,1925.