拓寬路基差異沉降有限元分析及控制技術(shù)研究

孫 陽 郭永建

(1.中交一公院中交瑞通路橋養(yǎng)護科技有限公司，陜西 西安 710075； 2.青島國信膠州灣交通有限公司，山東 青島 266000)

拓寬路基差異沉降有限元分析及控制技術(shù)研究

孫 陽1郭永建2

(1.中交一公院中交瑞通路橋養(yǎng)護科技有限公司，陜西 西安 710075； 2.青島國信膠州灣交通有限公司，山東 青島 266000)

針對高速公路的擴建加寬中由于舊路路基已沉降多年基本趨于穩(wěn)定，而新建路基沉降時間較短，新老路基結(jié)合部位常會產(chǎn)生差異沉降的現(xiàn)象，利用有限元方法進行了模擬分析，并在此基礎(chǔ)上，從設(shè)計上提出了對差異沉降的控制措施，為公路拓寬的設(shè)計提供借鑒。

拓寬工程，差異沉降，有限元，防治措施

近年來，隨著國民經(jīng)濟的蓬勃發(fā)展，在已經(jīng)建成使用的高速公路中，由于受經(jīng)濟水平及技術(shù)水平的限制，部分道路已不能滿足高速公路的服務(wù)水平要求，因此，我國早期修建的高速公路均面臨著擴建問題，而高速公路擴建工程中有待解決的主要問題是新老路堤拼接部位的不均勻沉降。舊路路基已沉降多年基本趨于穩(wěn)定，而新建路基沉降時間較短，新老路基結(jié)合部位常會產(chǎn)生差異沉降，繼而引起路面縱向裂縫、路基下沉等病害，將嚴重影響高速公路的正常運營。因此，必須從其成因上分析,把握其中的癥結(jié),尋找適宜的路基改善措施,這樣才能保證高速公路路基加寬后的質(zhì)量。

1 有限元計算模型的選取

1.1 幾何模型的選取

有限元計算幾何模型見圖1。

計算選取的高速公路拓寬模型為舊路路基半幅寬度13 m，路基兩側(cè)各拓寬8 m，路堤高度為6 m，新老路堤邊坡坡度1∶1.5，考慮到問題對稱性，取一半結(jié)構(gòu)進行研究，采用三角形單元。計算幾何模型如圖1所示，有限元計算模型如圖2所示。

1.2 計算本構(gòu)關(guān)系與計算參數(shù)的選取

由于路基填料和地基土均為理想彈塑性體，采用線性摩爾庫侖準則作為計算的本構(gòu)模型。結(jié)合現(xiàn)場試驗與工程設(shè)計勘察資料，選擇的模型計算參數(shù)如表1所示。

1.3 計算工況

工況一：計算沒有填筑路堤時的地基自重應(yīng)力場(不作為計算成果)；工況二：計算填筑舊路堤時產(chǎn)生的附加應(yīng)力影響；工況三：計算舊路堤填筑后舊土基的固結(jié)過程，符合K0固結(jié)原理，滲透系數(shù)取10-3m/d；工況四：將工況三的計算位移結(jié)果清零，重新計算新路堤填筑后的附加應(yīng)力影響；工況五：計算新地基在附加應(yīng)力下的固結(jié)過程；工況六：計算工況四完成時的路堤邊坡穩(wěn)定性。

表1 新老路堤計算采用不同的計算參數(shù)

2 計算結(jié)果分析

計算結(jié)果顯示(見圖3，圖4)，拓寬路堤作為附加應(yīng)力作用在天然地基上產(chǎn)生比較大的影響，圖3中的a)與b)，c)與d)分別顯示了固結(jié)過程對路堤穩(wěn)定性的影響要遠大于路堤本身荷載的影響。圖4中的數(shù)據(jù)顯示新地基固結(jié)前的最大不均勻沉降為9.4 cm，固結(jié)之后的不均勻沉降增大到30.7 cm，增加值為227%。圖3e)為強度折減計算后的路堤邊坡總體位移圖，此時的安全系數(shù)為1.4，滿足設(shè)計要求，但是隨著新地基固結(jié)過程的進行，這一數(shù)值顯然不是固定不變的，所以在設(shè)計過程中需要對新地基進行處理。

3 拼接段沉降控制標準

根據(jù)JTG D30-2004公路路基設(shè)計規(guī)范，原有路基與拓寬路基的路拱橫坡的工后增大值不應(yīng)大于0.5%。此外，對于分離式路基，要求橋頭容許工后沉降量Sr≤10 cm，一般構(gòu)造物及過渡段容許工后沉降量Sr≤20 cm，一般路段容許工后沉降量Sr≤30 cm。

4 復(fù)合地基處理設(shè)計

當計算出的沉降量較大時，就需要采用復(fù)合地基對新路基下的軟弱層進行加固，從而降低新路基的沉降量。復(fù)合地基處理方法通常有深層攪拌樁、灰土擠密樁等。深層攪拌樁適用于淤泥、淤泥質(zhì)土、含水量較高的粘性土、粉土等軟弱地基。主要利用深層攪拌機將水泥或石灰和地基土原位攪拌形成圓柱狀，格柵狀或連續(xù)墻水泥土增強體，形成復(fù)合地基以提高地基承載力，減小沉降。灰土擠密樁法適用于處理地下水位以上的濕陷性黃土、素填土和雜填土等地基。采用沖擊法在地基中設(shè)置灰土樁，在成樁過程中擠密樁間土，由擠密的樁間土和灰土樁共同形成復(fù)合地基。復(fù)合地基的樁長應(yīng)根據(jù)地質(zhì)鉆孔資料，經(jīng)計算后確定，一般情況下應(yīng)穿透軟弱層。對軟土層，應(yīng)在復(fù)合地基頂部設(shè)置砂礫墊層及土工格柵，以加快地基的固結(jié)速率。另外，老路基的原始邊坡應(yīng)開挖成臺階狀，在臺階底部應(yīng)鋪設(shè)土工格柵，以增加橫向抗拉能力[2，3]。

5 結(jié)語

隨著早期建設(shè)的一批高等級公路越來越多地面臨改擴建的命運，在改擴建工程中如何有效的處理改擴建工程路基的拼接以及控制差異沉降是關(guān)鍵問題。因此，在路基拓寬工程中應(yīng)對地基處理方案進行不斷比選與優(yōu)化，采取最為經(jīng)濟合理、技術(shù)可行的方案，減小拓寬路基差異沉降。

[1] JTG D30-2004，公路路基設(shè)計規(guī)范[S].

[2] JTJ 017-96，公路軟土地基路堤設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范[S].

[3] 柴玉卿.高速公路路基拼接時的地基處理設(shè)計與施工[J].交通科技，2005(5)：56-57.

[4] 羅建平.談路基沉降的原因及施工中的注意事項[J].山西建筑，2013，39(3):130-131.

Finite element analysis for differential settlement and control techniques of road widening

SUN Yang1GUO Yong-jian2

(1.CCCCRuitongRoad&BridgeMaintenanceTechnologyCo.,Ltd，Xi’an710075,China;2.QingdaoGuoxinJiaozhouBayTrafficCo.,Ltd,Qingdao266000,China)

Widening the highway due to the old road embankment settlement for many years has been basically stable, and the new road embankment settlement time is short, old roadbed junction will produce uneven settlement, this process was researched using the finite element method, and based on this, from the design of the proposed control measures for the settlement of differences, to provide reference for the design of the road widening.

widening project， differential settlement， finite element， prevention measures

2014-07-15

孫 陽(1983- )，男，工程師; 郭永建(1985- )，男，博士，工程師

1009-6825(2014)27-0156-02

U416.1

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