鋼塑格柵在高速公路拓寬工程中的應(yīng)用研究

宋 軍，賈衛(wèi)東，劉軍霞，張 咪

（1.中交二公局東萌工程有限公司，陜西 西安 710000；2.南京工業(yè)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，江蘇 南京 211816）

0 引言

交通量的日益增長(zhǎng)使得早期建成的高速公路無(wú)法滿足其通行需求，對(duì)老路進(jìn)行拓寬改建是一種有效處理方式[1]。在老路的基礎(chǔ)上修建新路，由于老路經(jīng)過(guò)多年運(yùn)營(yíng)，沉降變形趨于穩(wěn)定，新老路基固結(jié)步調(diào)不一致，容易在其交接處產(chǎn)生不協(xié)調(diào)變形，導(dǎo)致路面裂縫、邊坡坍塌等病害的發(fā)生[2]。鋼塑格柵是由高強(qiáng)鋼絲與高分子材料復(fù)合成的網(wǎng)狀加筋材料，抗拉強(qiáng)度高且蠕變小，可與土體共同受力[3]，減小土體的沉降變形，增強(qiáng)新老路基間的銜接性能[4]。為達(dá)到理想的鋪設(shè)效果，需要根據(jù)改擴(kuò)建工程的實(shí)際情況確定鋼塑格柵的施工工藝[5]，基于此，本文結(jié)合京滬高速公路改擴(kuò)建工程，利用ABAQUS 模擬分析鋼塑格柵的加筋作用機(jī)理與應(yīng)用效果，為鋼塑格柵處治拼接路基不協(xié)調(diào)變形提出施工建議。

1 工程概況

京滬高速公路新沂至淮安段改擴(kuò)建工程路線起自京滬高速公路蘇魯省界，路線全長(zhǎng)約106.9 km。主線路段原有道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面寬28 m，現(xiàn)在原路基基礎(chǔ)上對(duì)兩側(cè)進(jìn)行加寬7 m 處理，新老路基采用開挖臺(tái)階方式拼接，路基邊坡比為1∶1.5，路段填高2～6.5 m。

2 鋼塑格柵加筋拓寬路基有限元分析

2.1 有限元模型建立

由于道路采用雙側(cè)加寬方式，關(guān)于其中心線對(duì)稱，為簡(jiǎn)化計(jì)算，選取該拓寬路段典型斷面的右半部分為研究對(duì)象，建立了新老路基拼接的三維有限元模型，模擬不同加筋方案下拓寬路基工后位移與應(yīng)力變化情況。圖1 為鋼塑格柵加筋4 層時(shí)拓寬路基的計(jì)算幾何模型，拓寬路基模型不同加筋方案的計(jì)算工況見表1。

圖1 計(jì)算模型簡(jiǎn)圖

表1 計(jì)算模型工況

模型中對(duì)地基底部X、Y、Z 方向位移進(jìn)行全部約束，右側(cè)面對(duì)水平位移進(jìn)行約束,左側(cè)對(duì)稱面采用XXSYMM 對(duì)稱邊界條件，地基頂面設(shè)為排水邊界條件。為方便計(jì)算，路面簡(jiǎn)化為一層線彈性材料，工程竣工后路表面車輛荷載的施加可采用等效靜力荷載代替，Han[6]等人通過(guò)研究將路面等效均布荷載確定為10 kPa，根據(jù)本工程交通量的增長(zhǎng)初步預(yù)測(cè)將交通荷載定為20 kPa 的靜力荷載。

2.2 計(jì)算參數(shù)選取

該拓寬路段以粉質(zhì)黏土為主，土體本構(gòu)關(guān)系選用Mohr-Coulomb 模型，鋼塑格柵選用線性薄膜單元模擬[7]，根據(jù)工程路段地勘報(bào)告和土工試驗(yàn)報(bào)告確定各模型材料參數(shù)取值見表2、表3。

表2 道路結(jié)構(gòu)層材料參數(shù)取值

表3 鋼塑格柵參數(shù)取值

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 路基土體變形特性分析

拓寬路基在不同工況條件下路表面工后豎向和水平位移見圖2，可知在新路荷載作用下，路面沉降的變化規(guī)律呈“勺”型，新路表面的沉降較大，加筋對(duì)新路基土體的沉降變形有限制作用，加筋5 層時(shí)路表面最大差異沉降由6.77 cm 降至5.63 cm，路拱橫坡變化率由0.32%降至0.26%。路表面水平位移最大值出現(xiàn)在新老路基拼接處附近，鋪設(shè)鋼塑格柵可以明顯約束路基土體的側(cè)向滑移。通過(guò)模擬不同加筋方案下的路面位移曲線可知，在拓寬路基底部鋪設(shè)鋼塑格柵限制路基土體變形效果最明顯，隨著加筋層數(shù)的增加，鋼塑格柵對(duì)拓寬路基土體變形的限制效果逐漸減弱。

圖2 路表面豎向位移與水平位移（單位:cm）

2.3.2 路基土體應(yīng)力分析

鋼塑格柵對(duì)拓寬路基差異沉降與水平位移的限制作用主要是由于改善了路基土內(nèi)的應(yīng)力分布。拓寬路基在工況1 和工況4 下新老路基內(nèi)部土體水平應(yīng)力分布見圖3，可知新老路基拼接部位存在拉應(yīng)力集中現(xiàn)象，新路基有向外滑動(dòng)的趨勢(shì)，鋪設(shè)鋼塑格柵對(duì)老路基有拉拽作用，增強(qiáng)了新老路基間的銜接性，降低了路基頂面的最大拉應(yīng)力，使路基土體應(yīng)力分布更均衡。

圖3 新老路基內(nèi)部水平應(yīng)力分布（單位：kPa）

2.3.3 鋼塑格柵應(yīng)力與變形分析

圖4 為鋼塑格柵加筋5 層時(shí)，每層格柵拉應(yīng)力沿其長(zhǎng)度方向分布曲線。新路基與老路基拼接的2 m范圍內(nèi)格柵所產(chǎn)生的拉應(yīng)力較大，說(shuō)明格柵與路基填土相互作用產(chǎn)生摩阻力，增強(qiáng)了新老路基填土間的粘結(jié)力。路基底部格柵拉力明顯大于其上層格柵，說(shuō)明在路基底部鋪設(shè)一層鋼塑格柵可以充分發(fā)揮其抗拉性能。靠近新路邊坡處格柵拉力逐漸降低至0，說(shuō)明新路邊坡處鋼塑格柵的作用不大，可將本工程鋼塑格柵鋪設(shè)寬度定為6 m。

圖4 鋼塑格柵沿其長(zhǎng)度方向拉應(yīng)力分布（單位：kPa）

3 鋼塑格柵加筋拓寬路基施工工藝

3.1 施工準(zhǔn)備

3.1.1 結(jié)合面臺(tái)階處理

鋼塑格柵鋪設(shè)前需對(duì)新老路基結(jié)合面進(jìn)行處理，清除清除老路邊坡表面草皮、腐殖質(zhì)土，沿老路坡面開挖臺(tái)階。為確保鋼塑格柵得到有效錨固，同時(shí)考慮施工量大小，確定鋪設(shè)鋼塑格柵的老路臺(tái)階寬2 m，中部臺(tái)階寬度不小于1 m，臺(tái)階高寬比按1∶1.5控制。

3.1.2 鋼塑格柵質(zhì)量檢驗(yàn)

為確保鋼塑格柵的產(chǎn)品質(zhì)量，鋪設(shè)前需檢驗(yàn)每批格柵性能，合格后方可鋪設(shè)。本工程選用GSGS80-80 雙向型鋼塑格柵，其極限抗拉強(qiáng)度不小于80 kN/m，屈服延伸率不大于3%，產(chǎn)生較高抗拉強(qiáng)度的同時(shí)格柵自身的變形較小。

3.2 鋼塑格柵鋪設(shè)

3.2.1 鋪設(shè)層位與寬度

通過(guò)有限元分析可知，本改擴(kuò)建工程中，鋪設(shè)在拓寬路基底部的鋼塑格柵所產(chǎn)生的拉應(yīng)力最大，中部格柵較小，并且隨著格柵鋪設(shè)層數(shù)的增加，加筋效果減弱，因此，確定在拓寬路基底部過(guò)渡層中間鋪設(shè)一層格柵。同時(shí)為改善路基頂部受力狀況，在路床頂部以下40 cm 處鋪設(shè)一層鋼塑格柵，對(duì)路基頂面荷載起到擴(kuò)散作用。由于格柵拉應(yīng)力沿格柵長(zhǎng)度方向逐漸減小，新老路基拼接處拉應(yīng)力最大，靠近新路邊坡處拉應(yīng)力減小到0，可將格柵鋪設(shè)寬度定為6 m。

3.2.2 鋼塑格柵鋪設(shè)注意事項(xiàng)

鋼塑格柵需鋪設(shè)的土層表面需壓實(shí)平整，防止有碎、塊石等堅(jiān)硬凸出物刺破鋼塑格柵。鋪設(shè)時(shí)應(yīng)沿垂直于路基軸線方向鋪設(shè)，格柵需緊貼下承層，拉直平順，不得有折皺[8]。當(dāng)采用搭接法連接時(shí)，為保證鋼塑格柵的整體性，橫向搭接長(zhǎng)度宜不小于20 cm。最后采用U 型鋼釘將其固定于填土下承層表面，以增強(qiáng)鋼塑格柵搭接處的抗拉強(qiáng)度和穩(wěn)定性，防止因錨固不牢、路基滑移導(dǎo)致的格柵從路基中扯出等問(wèn)題。

3.3 攤鋪填料和碾壓

為避免受到陽(yáng)光過(guò)長(zhǎng)時(shí)間暴曬，鋼塑格柵鋪設(shè)完成后需立即用填料填筑，一般間隔時(shí)間不超過(guò)2 d，以免長(zhǎng)時(shí)間暴曬導(dǎo)致格柵的性能發(fā)生變化，影響施工質(zhì)量與效果。所選填料及其壓實(shí)度、平整度均應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，且填料的粒徑不得超過(guò)1/2 的碾壓層厚度。填筑時(shí)應(yīng)分層攤鋪、分層碾壓，鋼塑格柵上的第一層填料攤鋪應(yīng)采用輕型推土機(jī)或裝載機(jī)按滾填的方式進(jìn)行填筑，碾壓時(shí)應(yīng)從外側(cè)向老路堤方向碾壓，每層碾壓完畢后，應(yīng)抽檢其壓實(shí)度，在靠近臺(tái)階附近1 m 寬附近區(qū)域內(nèi)可用夯實(shí)機(jī)補(bǔ)充夯實(shí)，一切大型車輛、施工機(jī)械禁止直接在鋼塑格柵上行駛，以免將鋼塑格柵拉起或產(chǎn)生褶皺。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）新老路基的拼接處是高速公路拓寬工程中的薄弱部位，最容易沿其結(jié)合面出現(xiàn)破裂面，采用鋼塑格柵加筋技術(shù)處治拓寬路基能夠有效限制土體的豎向和水平位移，改善路基土體應(yīng)力分布，增強(qiáng)新老路基的銜接性。

（2）鋼塑格柵應(yīng)用于高速公路改擴(kuò)建工程中時(shí)需結(jié)合實(shí)際工況確定其施工工藝，合理鋪設(shè)鋼塑格柵，嚴(yán)格控制工程質(zhì)量。