高速公路拓寬工程中液態粉煤灰路基的設計優化

閆利鋒，葉 強，李鴻運

(1. 天津高速公路集團有限公司，天津 300384；2. 河北工業大學，天津 300401)

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高速公路拓寬工程中液態粉煤灰路基的設計優化

閆利鋒1，葉 強1，李鴻運2

(1. 天津高速公路集團有限公司，天津 300384；2. 河北工業大學，天津 300401)

液態粉煤灰是一種輕質、流態材料，廣泛用于高速公路拓寬工程的路基建設，本文應用ANSYS軟件，系統分析路基加寬斷面形式對路基受力與變形特性的影響規律，以期優化液態粉煤灰路基設計，提高路基的整體穩定性，降低新舊路基之間的差異沉降。

路基工程；液態粉煤灰；加寬；受力與變形特性；有限元法

0 引 言

隨著我國經濟的快速發展，許多先前建設的高速公路已經基本達到飽和狀態，急需進行拓寬改建以提升高速公路的通行能力，進而滿足交通運輸量日益增長的需求。高速公路拓寬改建時，由于新舊路基斷面結合處結構層強度、厚度的不同造成路面差異沉降，尤其是在軟土地基路段，原有路基的地基沉降和路堤自身壓縮沉降已經完成，而新建部分的路基部分地基和路堤自身壓縮會產生沉降變形，造成新舊路基之間產生沉降差異，引起路面開裂。同時，新建部分路基填筑時，在新舊路基結合處施工工藝復雜，施工難度大，很容易造成斷面結合處壓實度不足。液態粉煤灰是一種輕質、流態材料。由于其具有輕質、高強、自成型和免壓實等優點而在高速公路拓寬擴建工程中廣泛應用，液態粉煤灰填筑加寬部分路基可以減小人為因素造成的密實度達不到設計要求的現象，延長了道路使用壽命，提高了道路服務等級，為了進一步減小斷面處的不均勻沉降以及應力，提高道路的整體穩定性，本文通過ANSYS模擬分析，對路基加寬的參數進行設計優化，以期減小新舊路基之間的差異沉降問題。

1 有限元模型的建立

1.1 模型建立和網格劃分

為了與實際相結合，模型采取單側路基加寬的方式，假設各結構層材料各向同性連續，在水平和豎直方向是完全連續的。模型尺寸：路面結構0.6 m，邊坡1∶1.5，地基用具有代表性的一般土層，研究深度10 m，圖1是當填筑高度為4 m，填筑液態粉煤灰寬度為4.5 m，最外側為2.5 m寬的包邊土，臺階寬1 m時的計算模型。

圖1 計算模型示意圖

不同材料的計算參數見表1。

表1 模型結構及材料參數

高速公路拓寬擴建采用solid45單元模擬，在確保計算精度的基礎上對高速公路采用掃掠網格劃分方法將模型劃分成較規則的六面體單元，采用了局部加密的方法來分析材料的特征，如路基路面部分網格劃分較細，而地基單元部分較稀疏。

1.2 邊界約束及求解

網格劃分后，結合工程實際對模型進行邊界條件的約束，如圖1所示，原有地基上自由度為零，即地面完全約束，地基四周布滿法向約束；道路外側邊緣以及道路中線位置處水平位移為零；面層自由不施加約束。本文不考慮行車荷載對道路的沉降和新舊路基交界面的影響，只考慮新舊路基在自重作用下產生的變形和應力。

2 計算結果與分析

2.1 不同高寬比對路基受力變形特性的影響

在高速公路擴建工程中，常采用“寬而低”和“窄而高”兩種路基加寬方式，對于“寬而低”的路基加寬方式，加寬部分的路基對原有路基的影響較小，近似新建道路的路基受力特性；“窄而高”的路基加寬方式，對舊路受力和變形影響較大，其變化復雜，需要深入研究。

以四車道高速公路，路基單側加寬4.5 m為例，研究路基加寬的高寬比對受力與變形特性的影響規律。固定加寬寬度，分析不同填筑高度時，液態粉煤灰填筑路基時的豎向變形，如圖2。

圖2 不同填筑高度時的豎向位移

從圖2中可以看出，路基加寬后的豎向位移隨著填筑高度的增大而增大，在新老路基的結合處6 m外的豎向位移明顯偏大，這是由于在加寬位置4.5 m外填筑材料為包邊粘土，其重量明顯大于液態粉煤灰混合料材料。所以在相同加寬寬度條件下，新老路基結合處的豎向位移與原有道路中線處的豎向位移差值不隨著填筑高度的變化而變化，相反，當填筑高度>5 m時，新老路基結合處的不均勻沉降反而和填筑高度<5 m時的情況相近。主要原因在于：液態粉煤灰材質較輕、成型后強度高、成板體性，當填筑高度>5 m時，加寬部分材料自重作用在原有道路路基上，使舊路沉降增加，差異沉降反而減小。所以，當采用液態粉煤灰澆筑擴展道路的加寬部分時，采用“窄而高”的路基結構方式，可以減小不均勻沉降。

2.2 不同開挖臺階下的應力應變分析

在路基拓寬工程中，臺階開挖的大小和形式對新老路基之間的不均勻沉降以及結合處應力都有一定的影響，為體現不同臺階開挖下的接觸形式，將開挖的臺階設定為1 m高，在寬度分別為0.5 m、1 m、1.5 m時分析加寬段的應力應變變化規律。

(1)不同臺階形式下的位移特點

不同臺階開挖時的位移變化如圖3所示。

圖3 不同臺階形式下的位移變化規律

由圖3和圖4知，臺階寬度在0.5 m和1 m時候水平位移和豎向位移差距都很小，當臺階寬度增加到1.5 m后，新老路基之間的不均勻沉降明顯變得緩和，沉降差越來越小，水平位移也變小。由此可知，臺階寬度增大時可以促進新老路基之間的結合，減小新老路面之間的差異沉降，減小新路面開裂現象。

(2)不同臺階形式下的應力特點

不同的臺階形式會產生不同的應力變化規律，不同臺階形式下、不同填筑深度下的應力應變規律如圖4所示。

圖4 不同臺階寬度下豎向應力

不同臺階寬度情況下，液態粉煤灰都是在每層的兩端出現較大的豎向應力，中間位置最小。當臺階寬度較小時，臺階上的豎向應力偏小，此時臺階到外側液態粉煤灰的豎向壓力變化幅度相對較小，隨著臺階寬度的增大，液態粉煤灰作用在臺階上的應力也隨之增大，臺階對填筑材料的支撐力也越來越明顯，此時填筑材料與地基的接觸面的應力相應減小，對地基的要求相對較低。

3 結束語

液態粉煤灰具有高強和板體性好的特點，是優質的路基拓寬的填筑材料，對地質條件欠佳地區的道路拓寬工程效果更明顯。新老路基結合處采用挖臺階處置方式，采用較寬的臺階可以有效減小新舊路基之間的差異沉降，同時降低新建道路路基對地基的附件應力。

[1] 錢勁松，凌建明，黃琴龍．路基拓寬工程設計方法研究[J]．公路交通科技，2007，24(5)：43-47．

[2] 李啟冰．液態粉煤灰在張石高速公路中的應用[J]．路基工程，2008(3)：165-166．

[3] 楊春風，王朔，孫吉書，等．關于液態粉煤灰最佳含水量的研究[J]．河北工業大學學報，2014，43(1)：92-95．

2016-04-21

閆利峰(1976-)，男，天津人，工程師，主要從事道路工程的建設與管理工作。

天津市市政公路管理局科技劃項目(編號：2013-06)。

U414

C

1008-3383(2016)07-0007-02