填筑速率對(duì)高等級(jí)公路加寬工程路基變形影響的數(shù)值分析

李洪峰

(東北林業(yè)大學(xué)，哈爾濱，150040)

我國(guó)公路交通事業(yè)發(fā)展中存在著一個(gè)將現(xiàn)有公路進(jìn)行改造擴(kuò)建的艱巨任務(wù)［1］。在高等級(jí)公路加寬工程中，新路基與舊路基搭接，新舊路基土相互影響，新填路基以邊載的形式出現(xiàn)，填筑速率決定了地基和新舊路基的變形速率和變形情況。大量的實(shí)測(cè)資料和室內(nèi)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，加載速率與土體變形速率之間是相關(guān)聯(lián)的，加載速率的改變必然影響土體變形速率［2－13］。由于土體物理力學(xué)性質(zhì)的不同，這種相互關(guān)聯(lián)的關(guān)系有時(shí)存在一定的滯后性。目前關(guān)于巖土材料時(shí)間效應(yīng)的研究多是針對(duì)同一材料開(kāi)展的，如巖石、砂土、礫石、軟黏土等，而有關(guān)公路加寬工程中新舊路基不同物理力學(xué)性質(zhì)的巖土材料時(shí)間效應(yīng)的研究卻不多。

筆者依托同三高速公路方正—哈爾濱段公路擴(kuò)建項(xiàng)目，對(duì)新填路基不同填筑速率的路基變形進(jìn)行了數(shù)值分析，研究了填筑速率對(duì)路基變形的影響規(guī)律。

1 工程概況

同三高速公路方正—哈爾濱段公路擴(kuò)建項(xiàng)目采用的設(shè)計(jì)速度為100 km/h，舊路基寬度為13 m，邊坡為1∶1.5。在路線前進(jìn)方向舊路左側(cè)加寬11.5 m，邊坡仍采用 1 ∶1.5，行車道寬度為 2×7.5 m，硬路肩寬為2×2.75 m，土路肩寬為 2×0.75 m，中央分隔帶寬為1.5 m，路緣帶為2×0.5 m。路面采用瀝青混凝土，路面結(jié)構(gòu)層總厚度為65 cm。

選用K541+400斷面為研究對(duì)象，此斷面舊路基填筑土上部為紅褐色、密實(shí)的大部分風(fēng)化砂和少部分黏性土組成;地基土中上層為灰褐色，具有可塑性、中等壓縮性的粉質(zhì)黏土，層厚為1.30～2.60 m;下層為灰褐色、飽和、中等密實(shí)的中砂，其厚度未揭穿;地面以下7.20 m初見(jiàn)地下水。地質(zhì)情況見(jiàn)圖1。

2 模型建立

土的本構(gòu)關(guān)系具有非線性，土的變形既有彈性變形，又有塑性變形［14］。為了使加寬路基不同填筑速率的變形計(jì)算與分析更接近工程實(shí)際情況，選用PlaxisV8有限單元分析軟件，使用精度較高、適應(yīng)能力較強(qiáng)的15節(jié)點(diǎn)三角形單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)的離散化。以室內(nèi)試驗(yàn)和試驗(yàn)路段現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為參照，根據(jù)路基材料的物理力學(xué)性質(zhì)、施工工藝等，采用描述巖土行為的一種一階近似的Mohr－Coulomb本構(gòu)模型，確定了與現(xiàn)場(chǎng)一致的材料的參數(shù)，幾何模型應(yīng)用全寬斷面尺寸。結(jié)合工程實(shí)際和分析目的，根據(jù)臺(tái)階開(kāi)挖方式、地基中各土層分布、土工格柵設(shè)置和地下水位等條件，確定了幾何分析模型。為了減少邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，從填筑路基坡腳處分別向外擴(kuò)展20 m，作為橫向位移邊界條件。豎向深度根據(jù)地質(zhì)資料，在砂土層下取20 m。計(jì)算幾何模型、邊界條件的選取、單元網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 K541+400斷面地質(zhì)勘察剖面圖

圖2 K541+400斷面路基單元網(wǎng)格的劃分及邊界條件的選取

3 新填路基土不同填筑速率工況數(shù)值模擬

在高等級(jí)公路加寬工程中，地基土和舊路基土的變形受到新填路基土填筑速率的影響。筆者設(shè)計(jì)了不同填筑速率的工況數(shù)值模擬，研究填筑速率對(duì)路基的總變形和差異沉降的影響，探求不同填筑速率下的路基變形規(guī)律。數(shù)值模擬方案如下:

地質(zhì)狀況和填土材料與哈同公路K541+400斷面相同，不間斷施工，在填土高度、臺(tái)階開(kāi)挖等均保持與實(shí)際施工一致的基礎(chǔ)上，按照10、20、30 cm/d填筑速率進(jìn)行施工。施工加載過(guò)程即各階段的填土高度，在有限元計(jì)算中依此進(jìn)行加載過(guò)程模擬，在幾何圖形中進(jìn)行填土層劃分并凍結(jié)，在計(jì)算程序中逐一激活凍結(jié)層，并在計(jì)算程序中選用分步施工，施工步長(zhǎng)根據(jù)各階段實(shí)際所用時(shí)間確定。

4 填筑速率對(duì)路基變形影響數(shù)值分析

4.1 填筑速率對(duì)豎向變形的影響

豎向變形計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1和表2。總體看來(lái)，填筑速率對(duì)路基豎向變形有一定影響，在相同的時(shí)間段內(nèi)，隨著填筑速率的變化，豎向變形在路基和地基內(nèi)發(fā)生的范圍和量值有所變化，但變化幅度較小。主要原因是填筑高度一致，盡管填筑速率變化，但加載量沒(méi)有變化，新填路基作用在地基中的附加應(yīng)力不變，地基土抗剪強(qiáng)度又較大，時(shí)間效應(yīng)對(duì)舊路基和地基的影響不明顯。

從表1中不同填筑速率下加寬后路基表面各位置豎向變形計(jì)算值可以看出，加寬后路基表面豎向變形在新填路基一側(cè)是隨著填筑速率的增大而逐漸增大，但增量較小，在舊路基一側(cè)豎向變形基本沒(méi)有變化。從表2可以看出，新填路基路肩處總沉降是隨著填筑速率的增大而逐步增大，但沉降量和填筑速率并不呈線性關(guān)系，表現(xiàn)出一定的非線性關(guān)系。在填筑速率從10 cm/d增至20 cm/d時(shí)，沉降增長(zhǎng)較快;填筑速率從20 cm/d增至30 cm/d時(shí)，沉降增長(zhǎng)相對(duì)較慢。同時(shí)還可以看出，相同時(shí)間內(nèi)，填筑速率越大，竣工時(shí)沉降越小，而工后沉降和路基頂面差異沉降越大。主要原因是路基填筑速率大，施工期就短，荷載較早地作用于地基及先填筑路基部分，加快了初始階段的沉降。它與填筑速率小的修筑路基方式相比，施工期較短，沉降相對(duì)比較小，一部分沉降在竣工后完成;對(duì)于填土高度一定的路基填筑速率越大，在施工期間土體壓縮時(shí)間越短，工后沉降越大。

表1 不同填筑速率下加寬后路基表面和新填路基坡腳外地基表面豎向變形計(jì)算結(jié)果

表2 不同填筑速率路基主要觀察點(diǎn)沉降計(jì)算結(jié)果

從表1中不同填筑速率下新填路基坡腳外地基表面豎向變形計(jì)算值可以看出，隨著填筑速率的增大，靠近新填路基坡腳處的地基沉降量逐漸減小，遠(yuǎn)離路基坡腳處的沉降量幾乎沒(méi)變化。這主要是因?yàn)榧虞d速率的增大導(dǎo)致較大荷載較早地作用在地基上，新填路基坡腳處側(cè)向變形發(fā)展迅速，使得靠近坡腳處的地基有坡腳鼓起的趨勢(shì)，所以在坡腳附近填筑速率越大，豎向變形越小。

4.2 填筑速率對(duì)側(cè)向變形的影響

從表3側(cè)向變形計(jì)算結(jié)果可以看出，填筑速率的變化對(duì)路基及地基的側(cè)向變形影響的規(guī)律一致，但對(duì)變形大小影響不明顯。

表3 不同填筑速率下舊路肩處不同深度和新填路基坡腳處不同深度側(cè)向變形計(jì)算結(jié)果

舊路基路肩處不同深度側(cè)向變形計(jì)算結(jié)果顯示，以深度大約7 m為界，0～7 m與7 m以下土體側(cè)向變形方向相反，且在深度9、11、16 m處變形規(guī)律發(fā)生突變，其主要原因是這3個(gè)深度為不同土質(zhì)土層交界處，因在建立有限單元模型時(shí)材料參數(shù)的改變，導(dǎo)致不同土層變形規(guī)律發(fā)生改變。7～16 m深度處的側(cè)向變形朝向舊路基一側(cè)，7 m以上側(cè)向變形朝向新填路基一側(cè)，其主要原因是新填筑路基土對(duì)舊路基和地基施加了附加應(yīng)力，導(dǎo)致舊路基路肩下地基土發(fā)生側(cè)向變形。同時(shí)，新填路基土對(duì)舊路基施加了主動(dòng)土壓力，舊路基底部發(fā)生朝向舊路基一側(cè)的側(cè)向變形。而上部新路基土尚未填筑時(shí)，開(kāi)挖后舊路基上部沒(méi)有土壓力;由于舊路基下部土體受到擠壓，使得舊路基上部土體朝開(kāi)挖方向發(fā)生側(cè)向變形。從新填路基坡腳處地基不同深度側(cè)向變形計(jì)算結(jié)果可以看出，在2、7 m深度處變形特征發(fā)生改變，主要原因是這兩處為土層性質(zhì)發(fā)生改變的交界處，新填路基土對(duì)地基的附加應(yīng)力隨著深度增加逐漸減小，加之地基土體是隨著深度增加抗剪強(qiáng)度逐漸增大，而泊松比逐漸減小，導(dǎo)致在上部的側(cè)向變形比下部側(cè)向變形大，且差距明顯。隨著填筑速率的增大，側(cè)向變形也增大，填筑速率對(duì)地基上部側(cè)向變形的影響大于地基下部。

5 結(jié)論

從總的規(guī)律來(lái)看，填筑速率越大，工后沉降、差異沉降和新填路基一側(cè)的側(cè)向變形越大。實(shí)際工程施工中，在保證工期的同時(shí)要合理控制填筑速率，從而減少由于填筑過(guò)快導(dǎo)致的變形問(wèn)題。

在填土高度不變的前提下填筑速率的變化沒(méi)有改變總的加載量，竣工時(shí)新填路基作用在地基中的附加應(yīng)力不變，時(shí)間效應(yīng)是影響變形的主要因素。

填筑速率越大，荷載越早作用于地基，與填筑速率小的路基相比，施工期越短。盡管初始階段的沉降速率較大，但竣工時(shí)沉降相對(duì)比較小，一部分沉降在填筑結(jié)束后完成，工后沉降大，路面差異沉降也大。

隨著填筑速率的增大，相同時(shí)間內(nèi)荷載增量越大，側(cè)向變形量也越大，且對(duì)地基淺層影響較大。如果淺層地基土質(zhì)較軟，新填路基坡腳處側(cè)向變形發(fā)展迅速，靠近坡腳處的地基甚至有坡腳鼓起的趨勢(shì)。

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