高速公路拓寬工程中液態(tài)粉煤灰路基的設(shè)計(jì)優(yōu)化

閆利鋒，葉 強(qiáng)，李鴻運(yùn)

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

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高速公路拓寬工程中液態(tài)粉煤灰路基的設(shè)計(jì)優(yōu)化

閆利鋒1，葉 強(qiáng)1，李鴻運(yùn)2

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

液態(tài)粉煤灰是一種輕質(zhì)、流態(tài)材料，廣泛用于高速公路拓寬工程的路基建設(shè)，本文應(yīng)用ANSYS軟件，系統(tǒng)分析路基加寬斷面形式對(duì)路基受力與變形特性的影響規(guī)律，以期優(yōu)化液態(tài)粉煤灰路基設(shè)計(jì)，提高路基的整體穩(wěn)定性，降低新舊路基之間的差異沉降。

路基工程；液態(tài)粉煤灰；加寬；受力與變形特性；有限元法

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，許多先前建設(shè)的高速公路已經(jīng)基本達(dá)到飽和狀態(tài)，急需進(jìn)行拓寬改建以提升高速公路的通行能力，進(jìn)而滿足交通運(yùn)輸量日益增長的需求。高速公路拓寬改建時(shí)，由于新舊路基斷面結(jié)合處結(jié)構(gòu)層強(qiáng)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(jīng)完成，而新建部分的路基部分地基和路堤自身壓縮會(huì)產(chǎn)生沉降變形，造成新舊路基之間產(chǎn)生沉降差異，引起路面開裂。同時(shí)，新建部分路基填筑時(shí)，在新舊路基結(jié)合處施工工藝復(fù)雜，施工難度大，很容易造成斷面結(jié)合處壓實(shí)度不足。液態(tài)粉煤灰是一種輕質(zhì)、流態(tài)材料。由于其具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、自成型和免壓實(shí)等優(yōu)點(diǎn)而在高速公路拓寬擴(kuò)建工程中廣泛應(yīng)用，液態(tài)粉煤灰填筑加寬部分路基可以減小人為因素造成的密實(shí)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的現(xiàn)象，延長了道路使用壽命，提高了道路服務(wù)等級(jí)，為了進(jìn)一步減小斷面處的不均勻沉降以及應(yīng)力，提高道路的整體穩(wěn)定性，本文通過ANSYS模擬分析，對(duì)路基加寬的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)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(wǎng)格劃分

為了與實(shí)際相結(jié)合，模型采取單側(cè)路基加寬的方式，假設(shè)各結(jié)構(gòu)層材料各向同性連續(xù)，在水平和豎直方向是完全連續(xù)的。模型尺寸：路面結(jié)構(gòu)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(dāng)填筑高度為4 m，填筑液態(tài)粉煤灰寬度為4.5 m，最外側(cè)為2.5 m寬的包邊土，臺(tái)階寬1 m時(shí)的計(jì)算模型。

圖1 計(jì)算模型示意圖

不同材料的計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 模型結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

高速公路拓寬擴(kuò)建采用solid45單元模擬，在確保計(jì)算精度的基礎(chǔ)上對(duì)高速公路采用掃掠網(wǎng)格劃分方法將模型劃分成較規(guī)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(wǎng)格劃分較細(xì)，而地基單元部分較稀疏。

1.2 邊界約束及求解

網(wǎng)格劃分后，結(jié)合工程實(shí)際對(duì)模型進(jìn)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(cè)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(duì)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(chǎn)生的變形和應(yīng)力。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 不同高寬比對(duì)路基受力變形特性的影響

在高速公路擴(kuò)建工程中，常采用“寬而低”和“窄而高”兩種路基加寬方式，對(duì)于“寬而低”的路基加寬方式，加寬部分的路基對(duì)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(duì)舊路受力和變形影響較大，其變化復(fù)雜，需要深入研究。

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

圖2 不同填筑高度時(shí)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(jié)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(tài)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(jié)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(dāng)填筑高度>5 m時(shí)，新老路基結(jié)合處的不均勻沉降反而和填筑高度<5 m時(shí)的情況相近。主要原因在于：液態(tài)粉煤灰材質(zhì)較輕、成型后強(qiáng)度高、成板體性，當(dāng)填筑高度>5 m時(shí)，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(dāng)采用液態(tài)粉煤灰澆筑擴(kuò)展道路的加寬部分時(shí)，采用“窄而高”的路基結(jié)構(gòu)方式，可以減小不均勻沉降。

2.2 不同開挖臺(tái)階下的應(yīng)力應(yīng)變分析

在路基拓寬工程中，臺(tái)階開挖的大小和形式對(duì)新老路基之間的不均勻沉降以及結(jié)合處應(yīng)力都有一定的影響，為體現(xiàn)不同臺(tái)階開挖下的接觸形式，將開挖的臺(tái)階設(shè)定為1 m高，在寬度分別為0.5 m、1 m、1.5 m時(shí)分析加寬段的應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律。

(1)不同臺(tái)階形式下的位移特點(diǎn)

不同臺(tái)階開挖時(shí)的位移變化如圖3所示。

圖3 不同臺(tái)階形式下的位移變化規(guī)律

由圖3和圖4知，臺(tái)階寬度在0.5 m和1 m時(shí)候水平位移和豎向位移差距都很小，當(dāng)臺(tái)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(tái)階寬度增大時(shí)可以促進(jìn)新老路基之間的結(jié)合，減小新老路面之間的差異沉降，減小新路面開裂現(xiàn)象。

(2)不同臺(tái)階形式下的應(yīng)力特點(diǎn)

不同的臺(tái)階形式會(huì)產(chǎn)生不同的應(yīng)力變化規(guī)律，不同臺(tái)階形式下、不同填筑深度下的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律如圖4所示。

圖4 不同臺(tái)階寬度下豎向應(yīng)力

不同臺(tái)階寬度情況下，液態(tài)粉煤灰都是在每層的兩端出現(xiàn)較大的豎向應(yīng)力，中間位置最小。當(dāng)臺(tái)階寬度較小時(shí)，臺(tái)階上的豎向應(yīng)力偏小，此時(shí)臺(tái)階到外側(cè)液態(tài)粉煤灰的豎向壓力變化幅度相對(duì)較小，隨著臺(tái)階寬度的增大，液態(tài)粉煤灰作用在臺(tái)階上的應(yīng)力也隨之增大，臺(tái)階對(duì)填筑材料的支撐力也越來越明顯，此時(shí)填筑材料與地基的接觸面的應(yīng)力相應(yīng)減小，對(duì)地基的要求相對(duì)較低。

3 結(jié)束語

液態(tài)粉煤灰具有高強(qiáng)和板體性好的特點(diǎn)，是優(yōu)質(zhì)的路基拓寬的填筑材料，對(duì)地質(zhì)條件欠佳地區(qū)的道路拓寬工程效果更明顯。新老路基結(jié)合處采用挖臺(tái)階處置方式，采用較寬的臺(tái)階可以有效減小新舊路基之間的差異沉降，同時(shí)降低新建道路路基對(duì)地基的附件應(yīng)力。

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

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

[3] 楊春風(fēng)，王朔，孫吉書，等．關(guān)于液態(tài)粉煤灰最佳含水量的研究[J]．河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，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(shè)與管理工作。

天津市市政公路管理局科技劃項(xiàng)目(編號(hào)：2013-06)。

U414

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1008-3383(2016)07-0007-02