高速公路改擴(kuò)建工程中路基防護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

姚銳

（新疆交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

過去十幾年，我國公路改擴(kuò)建工程雖取得了長足進(jìn)步，但以鄉(xiāng)村公路為例，其多是三四級公路，回填度不高，路側(cè)保護(hù)措施匱乏，道路景觀環(huán)境相對較差，且在道路運(yùn)行過程中，會受到氣候變化與降雨滲透等因素的影響。盡管鄉(xiāng)村公路經(jīng)過多年運(yùn)行，路面已基本穩(wěn)定，由于路中間隔層寬度大，同時(shí)疊加長期降雨和凍融作用，使得道路邊坡填料的水分含量和力學(xué)性能都出現(xiàn)了很大分散。因此，防護(hù)路基勢在必行。相關(guān)文獻(xiàn)[1]提出基于“北斗RTK”定位技術(shù)的路基防護(hù)方法，該方法利用“北斗RTK”定位技術(shù)，保護(hù)長螺桿式泵壓成樁技術(shù)，并對其垂直度、鉆進(jìn)速度、鉆深、樁灌漿等監(jiān)測，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)地基。使用該方法能夠高效防護(hù)路基，但是過于依賴“北斗RTK”定位技術(shù)，無法在動(dòng)態(tài)擴(kuò)建環(huán)境中達(dá)到精準(zhǔn)定位塌陷路基的效果，也無法有效防護(hù)所有路基。相關(guān)文獻(xiàn)[2]提出了玄武巖石粉和纖維改性的防護(hù)方法，將玄武巖粉末與玻璃纖維分別按照0.2%、0.4%、0.6%比例配比，并對比研究了兩種物質(zhì)的加固機(jī)制與其自身的物理性質(zhì)，使得加固后的土壤具有更為穩(wěn)定的內(nèi)在構(gòu)造，具有更好的保護(hù)作用，但使用該方法需要控制含水率，一旦控制效果不佳，會影響試樣配比，容易出現(xiàn)路基防護(hù)效果不佳的問題。為此，本文通過開展高速公路改擴(kuò)建工程路基防護(hù)研究，探究路基防護(hù)的適用性，并采用FLAC-3D方法對防護(hù)方案開展優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 基于有限元計(jì)算模型的改擴(kuò)建路基力學(xué)響應(yīng)分析

通過對路基開展最優(yōu)設(shè)計(jì)，利用ANSYS軟件建立拓寬基礎(chǔ)的有限元模型，分析其豎向應(yīng)力和剪應(yīng)力的力學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而揭示其影響機(jī)制。

1.1 ANSYS有限元模型建立

構(gòu)建ANSYS有限元計(jì)算模型時(shí)，應(yīng)先設(shè)定假定條件：采取雙向加寬的方式，拓寬路段圍繞舊路中線點(diǎn)，對稱布置在舊路兩側(cè)[3]。將路基土視為具有均勻分布特征的完美彈塑性介質(zhì)，在舊路與拓寬路段組合新路基時(shí)，不會出現(xiàn)較大的相對剝離或滑動(dòng)現(xiàn)象。在不同構(gòu)造層次上，結(jié)構(gòu)層交界面處理良好，且接觸完整，不會受到氣溫變化的干擾[4]。

為確保精確性，須選取有限尺寸結(jié)構(gòu)。構(gòu)造尺度：邊坡比例為1∶1.5；地基基礎(chǔ)高度28m；兩邊對稱拓寬，在新舊地基結(jié)合的位置，通過階梯咬合法搭接，使階梯寬度為0.8m，高度為0.4m。在建模與分割過程中，采用SOLID-45板、8個(gè)空間節(jié)點(diǎn)等參量元素建模與分割，得到計(jì)算模型網(wǎng)格，如圖1所示。

圖1 ANSYS有限元計(jì)算模型

在有限元計(jì)算模型中，按照不同的道路表面網(wǎng)格，對相應(yīng)節(jié)點(diǎn)施加不同載荷，從而實(shí)現(xiàn)對道路上各節(jié)點(diǎn)的仿真。以單個(gè)車輪l00kN為基準(zhǔn)載荷，以一個(gè)雙重的四邊形來替代兩個(gè)車輪載荷。

1.2 不同填筑高度下路基力學(xué)響應(yīng)分析

在改擴(kuò)建工程中，因地勢起伏原因，道路各段均有較大坡度和坡度差異，地基應(yīng)力狀態(tài)也會存在差異[5]。為了確定路基在高速公路改擴(kuò)建施工中的合適填筑高度，在2m、4m、6m、8m、10m、12m和14m路基填筑高度下，分別分析拓寬路基建設(shè)結(jié)束時(shí)的力學(xué)響應(yīng)。對于豎向應(yīng)力和剪應(yīng)力計(jì)算公式，可表示為：

表1 不同填筑高度下豎向應(yīng)力和剪應(yīng)力

當(dāng)新舊路基采用臺階搭接形式結(jié)合后，路基中的應(yīng)力分布會發(fā)生改變，豎向應(yīng)力及剪應(yīng)力逐漸增大，對路基的影響區(qū)域也會逐漸增大，但幅度則越來越小，而新舊路基交界部及下部基礎(chǔ)上的最大豎向應(yīng)力和剪應(yīng)力均不變[6]。由于路基加寬作用更加明顯，在路基防護(hù)優(yōu)化過程中應(yīng)對拓寬寬度詳細(xì)處理。

2 基于FLAC-3D的路基防護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)改擴(kuò)建路基力學(xué)響應(yīng)分析結(jié)果，采用土工格柵技術(shù)，調(diào)整彈性模量，進(jìn)而確定土工格柵最佳彈性模量，并結(jié)合FLAC-3D軟件優(yōu)化防護(hù)塑鋼板樁路基。

2.1 土工格柵路基加筋防護(hù)處理

為應(yīng)對高速公路拓寬工程中出現(xiàn)不均勻沉陷問題，本文提出一種新型土工格柵加筋技術(shù)。將網(wǎng)格布置在受拉的土體中，使土體受到很大拉力，在載荷作用下，幫助加筋網(wǎng)片與土體間的摩擦力對土體橫向位移起到制約作用[7-8]。加筋網(wǎng)片與土壤之間的高黏結(jié)力能使其張拉承載力和剪切承載力都得到很大改善[9]。此外，新型土工格柵加筋技術(shù)還對路堤斷面及新舊路基交界處的變形狀態(tài)改進(jìn)效果較好，防止了縱、橫向裂縫的產(chǎn)生，如圖2所示。

圖2 土工格柵路基加筋示意圖

利用調(diào)整土工格柵的彈性模量來調(diào)整路基表面沉降量及橫坡比。在選擇土工格柵時(shí)，彈性模量作為一個(gè)主要度量指標(biāo)，需要對其著重考量[10]。選擇2m的路堤高度，在底部和頂部開展不同程度的布置，調(diào)節(jié)土工格柵的彈性模量，分析土工格柵路基的加筋效果[11]。

彈性模量計(jì)算公式可表示為:

式中，r表示彈性力;φ表示應(yīng)變程度。

將外部的動(dòng)作加到彈性體.上，使彈性體產(chǎn)生變化[12]。在不同彈性模量下分析橫坡比與沉降量關(guān)系，如表2所示

新路基橫坡較大，不僅會引起道路開裂，還會對車輛行駛造成不利影響。為此，需要對新路基及路面加固，降低路基橫坡比，確保車輛行駛安全。通過表2結(jié)果可知，隨著土工格柵彈性模量彈性模數(shù)從0.1GPa提高至1GPa，路基最大沉降值將從25cm降至16cm；橫坡比由7%降低到4%，說明當(dāng)土工格柵彈性模量提高時(shí)，新路基各項(xiàng)參數(shù)都會顯著提高。而當(dāng)彈性模量持續(xù)提高時(shí)，雖然參數(shù)均會有所提高，但并未達(dá)到很好效果，因此，從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)來看，應(yīng)該選擇1GPa作為土工格柵最佳彈性模量[13]。

2.2 基于FLAC-3D的塑鋼板樁路基防護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)路基填筑高度的不同，利用FLAC-3D軟件對各類型塑鋼板樁建模，塑鋼板樁與樁周土采取面接觸方式[14]，和路基土體使用實(shí)體元素模擬。為了簡化模型，在道路的寬度范圍之內(nèi)（0m至5m)，對路基施加35kPa垂直均布載荷。對于塑鋼板樁路基防護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)構(gòu)建的FLAC-3D塑鋼板樁模型，如圖3所示。

圖3 FLAC-3D塑鋼板樁模型

對于懸臂式塑鋼板樁，為了克服邊界影響，設(shè)定模型總長度為10m，高度為5m，按照對稱性原則，將塑料板樁圍巖的保護(hù)范圍設(shè)在模型中間位置[15]。

對于拖板式塑鋼板樁，為了克服邊界影響，將塑料板樁圍巖的保護(hù)范圍設(shè)在模型中間位置，設(shè)定其與管道樁的間隔為1.3m（每兩個(gè)塑鋼板樁安裝1根拉筋），并在距離牽引盤0.3m處安裝一根方形鍍鋅管。

對于拉錨式塑鋼板樁，為了克服邊界影響，將塑料板樁圍巖的保護(hù)范圍設(shè)在模型中間位置，設(shè)定其與管道樁的間隔為1.3m（每兩個(gè)塑鋼板樁安裝1根拉筋），并在距離牽引盤0.3m處安裝一根方形鍍鋅管。塑鋼板樁施工流程，如圖4所示。

圖4 塑鋼板樁施工流程

通過上述3種塑鋼板樁防護(hù)形式，可實(shí)現(xiàn)對塑鋼板樁路基防護(hù)優(yōu)化。

3 實(shí)例分析

3.1 工程概況

項(xiàng)目選定為京哈高速某河段改擴(kuò)建工程，編號#5施工區(qū)域起始樁為k107至k108，總長度為15km。原公路路基寬度為30m，改擴(kuò)建后的道路寬度為45m。這一部分采用兩邊對稱的擴(kuò)展模式，確保每個(gè)側(cè)面的擴(kuò)展寬度都為8m，如圖5所示。

圖5 路基路面示意圖

由圖5可知，改擴(kuò)建難點(diǎn)是在路基拼接過程中要對新、舊路基開展不同程度的沉降控制。該項(xiàng)目采取了兩端對稱連接和拓寬的方法，使資源收益達(dá)到最大化，且施工期間不會對道路通行產(chǎn)生任何影響。

3.2 沉降觀測現(xiàn)場布置

對于拼接的新路基，需要在坡腳處設(shè)置沉降邊樁，用于觀測沉降量，如圖6所示。

圖6 沉降觀測現(xiàn)場布置

拓寬段路基采用臺背范法開展施工后沉降處理，圍度不大于4cm，構(gòu)造部分不大于8cm，其他部分不超過12cm。監(jiān)控新舊路基間的不同沉降量，直到路堤穩(wěn)定為止。對于拼接的寬邊路基，其側(cè)向坡度變動(dòng)不大于0.4%，并與之相鄰。斷面不一致沉陷引起的縱坡偏差應(yīng)小于0.25%。為了避免寬邊路基在快速回填時(shí)造成路基失穩(wěn)，在施工過程中，要強(qiáng)化對拼寬路基的監(jiān)測和測量。確保直線沉降率不超過12mm/d，邊坡腳面水平位移不大于4mm/d。

3.3 沉降量監(jiān)測

對于路基沉降監(jiān)測，分別使用基于“北斗RTK”定位技術(shù)的路基防護(hù)方法、玄武巖石粉和纖維改性防護(hù)方法和基于FLAC-3D的路基防護(hù)優(yōu)化方法，對比結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同方法路基沉降監(jiān)測

由圖7可知，使用基于“北斗RTK定”位技術(shù)的路基防護(hù)方法后，路基會發(fā)生塌陷，但沉降量較??；使用玄武巖石粉和纖維改性的防護(hù)方法，路基也會出現(xiàn)塌陷，沉降量較大；使用基于FLAC-3D的路基防護(hù)優(yōu)化方法，路基會出現(xiàn)裂紋，但基本沉降量特別小。

為進(jìn)一步驗(yàn)證研究方法的有效性，對比分析三種方法下的路基沉降量，對比結(jié)果如表3所示。

表3 不同方法沉降量對比分析/mm

由表3可知，使用玄武巖石粉和纖維改性的防護(hù)方法沉降量最大，其次是基于“北斗RTK”定位技術(shù)的路基防護(hù)方法，沉降量最小的是基于FLAC-3D的路基防護(hù)優(yōu)化方法。

4 結(jié)束語

通過對高速公路改擴(kuò)建工程中的路基防護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的研究，得到如下結(jié)論：路基豎向應(yīng)力和剪應(yīng)力均隨土體的填高而增大，并呈穩(wěn)定變化趨勢，表明路基控制沉陷作用越來越大；土工格柵技術(shù)對新舊路基總沉降量減少效果顯著，加勁效果明顯，當(dāng)彈性模量為1GPa時(shí)，加勁效果達(dá)到最佳且不再明顯變化；通過對塑鋼板樁路基防護(hù)優(yōu)化，可使路基結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài)。