不同拓寬方式下路基不均勻沉降特性研究*

張?zhí)?李友云,謝繼登,劉展瑞,羅克文

(1.廣西壯族自治區(qū)玉林公路管理局,廣西 玉林 537000；2.長沙理工大學(xué) 交通運輸工程學(xué)院,湖南 長沙 410114)

中國干線公路網(wǎng)中,局部公路已無法滿足當(dāng)前交通需求,出現(xiàn)交通量飽和及大量病害,加快低等級公路、高速公路的升級改造,提高重要路段的通行能力已勢在必行,進行公路改擴建技術(shù)研究愈加迫切。低等級公路改干線公路不同于高速公路改擴建,由于低等級公路修筑時標準較低,路基拓寬時差異沉降更復(fù)雜。針對干線公路改擴建,賀勇從基礎(chǔ)認識、技術(shù)工藝及影響因素等方面對二級公路改擴建工程施工質(zhì)量控制技術(shù)進行了研究；南秋彩結(jié)合實際工程,發(fā)現(xiàn)在拼接路面中,新路基和老路基不均勻沉降會產(chǎn)生附加應(yīng)力,造成新的沉降變形,使新舊路基出現(xiàn)不協(xié)調(diào)變形；楊敏通過室內(nèi)試驗、現(xiàn)場勘測試驗及數(shù)值模擬,分析了路用輕質(zhì)材料、軟土地基不同處理方案及新老路基銜接不同處治技術(shù)下新老路基差異沉降機理,提出了針對依托工程的合理方案。為節(jié)約成本,低等級公路升級改造要盡可能多地利用原有路基,這對原有路基的處理提出了更高要求。該文結(jié)合廣西玉林地區(qū)岑溪南渡至陸川公路改建工程,研究四級公路改二級干線公路不同拓寬方式下路基沉降特性,為改擴建方案制訂提供依據(jù)。

1 工程概況

岑溪南渡至陸川公路改建項目為將四級公路升級改造成二級干線公路,定線過程中本著盡可能多地利用舊路的原則,對于路基穩(wěn)定、路面情況良好的路段,充分利用舊路作為基層或底基層使用,在舊路上加鋪面層和基層。路基寬度由4.5 m拓寬至8.5 m,路基高度2 m,且沿線分布有2 m厚軟土層。

公路改建工程路基拓寬方式可分為單側(cè)加寬、雙側(cè)加寬及組合式加寬3種,其主要特點見表1。

表1 新老路基各拼接方法的優(yōu)點

2 路基拓寬數(shù)值分析

2.1 模型建立

模型分為新舊路基和地基等部分。地基土的計算厚度為17 m,其中軟塑狀軟土層為2 m,全風(fēng)化巖層為15 m,模型計算寬度取34.5 m。舊路路基頂部寬度取4.5 m,加寬后路基頂面寬度為8.5 m,路基高度取2 m。模型地基底部施加全約束(水平位移和垂直位移都為零),模型頂部為自由面,其余部分施加水平約束,只考慮上部填土引起的應(yīng)力和位移變化。采用C3D8I單元類型,即八節(jié)點六面體線性非協(xié)調(diào)模式單元。計算中采用20 kPa均布荷載等效代替車輛荷載與路面自重荷載。模型尺寸見圖1。

圖1 路基拓寬示意圖(單位：m)

根據(jù)材料屬性將模型劃分為舊路基、新路基96區(qū)、新路基94區(qū)、新路基93區(qū)、軟弱地基層和全風(fēng)化巖層6個部分,根據(jù)地質(zhì)勘探資料,參考文獻[14],各部分材料的力學(xué)特性參數(shù)見表2。

表2 涵洞、舊路基與地基的物理力學(xué)參數(shù)

2.2 路基單側(cè)加寬數(shù)值計算結(jié)果分析

對路基進行單側(cè)加寬,舊路基寬度4.5 m,單側(cè)加寬4 m,加寬后路基總寬度8.5 m,路基高度2 m。為對道路整體豎向位移變化情況進行分析,選取路基頂面及地基表面橫斷面,繪制不同時刻的豎向位移曲線。道路在新路填筑完成至通車運營后整體豎向位移見圖2,路基和地基豎向位移分別見圖3、圖4。

由圖2可知：對路基進行單側(cè)加寬時,新路基側(cè)沉降大于舊路基,且向舊路基路肩處沉降逐漸減小,甚至在路肩處有產(chǎn)生向上位移的趨勢；下部地基沉降呈盆形,新路基填筑產(chǎn)生的附加荷載對舊路側(cè)產(chǎn)生擾動,引起地基的二次固結(jié)。

圖2 路基單側(cè)加寬時道路整體豎向位移云圖(單位：m)

圖3 路基單側(cè)加寬時路基豎向位移

圖4 路基單側(cè)加寬時地基豎向位移

由圖3可知：對路基進行單側(cè)加寬時,新路填筑期,道路整體沉降呈現(xiàn)由舊路基路肩至新路基路肩逐漸減小的趨勢,沉降集中在新路基側(cè)；通車運營后,道路整體沉降增大12 mm左右,路基沉降最大值出現(xiàn)在拓寬側(cè)中心處附近。新路填筑完成時,新舊路基結(jié)合部的沉降為7.78 mm,新路基路肩處沉降為14.18 mm,舊路基路肩處沉降為1.29 mm；通車運營后,結(jié)合部沉降增大至19.93 mm,新路基路肩沉降增大至22.19 mm,舊路基路肩沉降增大至9.62 mm。從新路填筑完成到通車運營后,新舊路基結(jié)合部處沉降量增大13.4 mm,新路基路肩處沉降量增大8.02 mm,老路基邊坡處沉降量增大8.33 mm。

由圖4可知：對路基進行單側(cè)加寬時,新路填筑期,地基沉降整體呈U形,沉降集中在拓寬地基側(cè),沉降最大值出現(xiàn)在新舊地基結(jié)合部偏新路基側(cè),新路基的填筑對舊路基造成擾動,地基土受到擠壓作用,導(dǎo)致舊路基坡腳處出現(xiàn)較小的向上豎向位移；通車運營后,地基沉降增大,兩側(cè)坡腳處增量較小,沉降增量集中在舊路基側(cè),地基沉降最大值點向舊路基側(cè)偏移。新路填筑完成時,結(jié)合部處沉降為13.41 mm,新路基坡腳處沉降為8.36 mm,舊路基坡腳處沉降為0.24 mm；通車運營后,結(jié)合部處地基沉降增大至23.14 mm,新路基坡腳處地基沉降增大至10.86 mm,老路基坡腳處地基沉降增大至2.66 mm,分別增加9.73、2.5、2.42 mm。地基沉降主要發(fā)生在路基填筑過程中,路基的自重應(yīng)力是造成地基沉降的主要原因。

2.3 路基雙側(cè)加寬數(shù)值計算結(jié)果分析

對路基進行雙側(cè)加寬處理,舊路基寬4.5 m,兩側(cè)各加寬2 m,加寬后路基總寬8.5 m,路基高2 m。道路在新路填筑完成至通車運營后整體豎向位移見圖5,路基和地基豎向位移分別見圖6、圖7。

圖5 路基雙側(cè)加寬時道路整體豎向位移云圖(單位：m)

圖6 路基雙側(cè)加寬時路基豎向位移

圖7 路基雙側(cè)加寬時地基豎向位移

由圖5可知：對舊路基進行雙側(cè)加寬時,道路整體豎向位移沿路基中線兩側(cè)對稱。路基填筑時,兩側(cè)新加寬路基的變形能力大,同時由于舊路基受到兩側(cè)拓寬路基的荷載,位移逐漸增大,拓寬路基會改變舊路基的平衡狀態(tài),引起新的固結(jié)過程。從路基填筑完成到通車運營,道路整體豎向位移隨時間不斷增大。

由圖6可知：對舊路基進行雙側(cè)加寬時,路基頂部沉降隨新加寬路基的填筑整體呈拱形,路基中線處沉降較小,向兩側(cè)路肩處沉降逐漸增大。通車運營后,路基頂部沉降量增大,且舊路基沉降增量大于兩側(cè)新路基,運營期間路基整體沉降量比路基填筑期沉降量大,說明車輛荷載對路基沉降有影響。新路填筑完成時,路基中線處沉降為4.7 mm,新路路基沉降為8.4 mm,沉降整體沿路基中線至兩側(cè)路肩處逐漸增大；通車運營后,兩處的沉降分別增大至18.1、16.5 mm,增大13.4、8.1 mm。

由圖7可知：路基填筑完成時,地基的整體沉降呈現(xiàn)W形,且沿路基中線兩側(cè)對稱。新路填筑完成時,由于兩側(cè)新路基的荷載作用,對舊路基下地基形成擠壓,地基的最大沉降出現(xiàn)在新舊地基拼接處附近。通車運營后,地基整體沉降呈U形,地基中心沉降較大且往兩側(cè)逐漸減小,地基整體沉降均勻。說明兩側(cè)路基的填筑對舊地基的影響較大,拓寬地基沉降受路基自重應(yīng)力影響較大。路基填筑完成時,地基中線處沉降為4.7 mm,新路基坡腳處沉降為5.8 mm,結(jié)合部附近沉降為8.8 mm；通車運營后,以上三處的沉降量分別增大至17.3、8.3、14.5 mm,依次增加12.6、2.5、5.7 mm。

2.4 舊路基挖除重筑數(shù)值計算結(jié)果分析

將原有四級公路舊路基全部挖除,原有路基不加以利用,在地基上部全寬填筑新路基,逐級壓實。道路在新路填筑完成至通車運營后整體豎向位移見圖8,路基和地基豎向位移分別見圖9、圖10。

圖8 舊路基挖除重筑時道路整體豎向位移云圖(單位：m)

圖9 舊路基挖除重筑時路基豎向位移

圖10 舊路基挖除重筑時地基豎向位移

由圖8可知：舊路基挖除重筑時,路基填筑完成到通車運營后,道路整體豎向位移隨時間不斷增大,雖然舊路側(cè)路基挖除重筑,但因舊路下地基在前期已基本完成固結(jié),拓寬側(cè)路基及地基沉降比其沉降稍大。

由圖9可知：新舊路基沉降整體較均勻,由于舊路基部分挖除重筑,即路基為一整體,壓實度等條件也都相同,雖然舊路側(cè)地基已基本完成固結(jié)而拓寬側(cè)初始加載,但路基差異沉降明顯比單側(cè)、雙側(cè)加寬時減小。新路填筑完成時,結(jié)合部處沉降為9.31 mm,新路基路肩處沉降為12.80 mm,舊路基路肩處沉降為2.63 mm；通車運營后,三處的沉降量分別增大至21.86、20.97、10.82 mm,依次增加12.55、8.17、8.19 mm。

由圖10可知：地基整體沉降在新舊地基結(jié)合部附近出現(xiàn)明顯變化,沉降最大位置在新舊地基結(jié)合部附近,且向兩側(cè)坡腳沉降逐漸減小。由于路基重新填筑,填筑標準提高,路基荷載增大,而下部地基前期固結(jié)已基本完成,對外側(cè)地基形成擠壓,舊路側(cè)坡腳出現(xiàn)向上的豎向位移。通車運營后,地基沉降增大,逐漸達到平衡,最大沉降位置向路基中線偏移。路基填筑時,地基結(jié)合部處沉降為11.92 mm,拓寬側(cè)坡腳處沉降為7.78 mm,舊路側(cè)坡腳處沉降為3.79 mm；通車運營后,三處的沉降分別增大至21.64、20.97、10.82 mm,依次增加9.05、13.19、7.03 mm。

3 現(xiàn)場沉降監(jiān)測對比

3.1 監(jiān)測方法

現(xiàn)場沉降監(jiān)測采用水平測斜儀法。路基填筑初期,地基上填筑一層土后進行各斷面測斜管埋設(shè)(見圖11),后期定期利用測斜儀進行地基沉降數(shù)據(jù)采集,計算各斷面累計沉降量,繪制沉降曲線。

圖11 測斜管埋設(shè)示意圖(單位：m)

3.2 數(shù)據(jù)對比分析

路基單側(cè)加寬及舊路基挖除重筑基時各斷面沉降分別見圖12、圖13。

對比現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值計算結(jié)果,數(shù)值計算結(jié)果較連續(xù),累積沉降曲線較平滑,而現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)不斷波動,且其值比數(shù)值計算結(jié)果整體大5 mm左右。數(shù)值模擬計算是理想狀態(tài)下的結(jié)果,而實際測量中,受施工擾動、測量誤差等因素的影響,監(jiān)測數(shù)據(jù)會有所波動。但從累積沉降曲線來看,兩者的整體沉降變化趨勢基本一致,且實測數(shù)據(jù)與計算數(shù)據(jù)的誤差控制在10%左右,施工期的累積沉降誤差在容許范圍內(nèi)。說明所建立的有限元模型與實際情況較吻合,計算結(jié)果可用于新舊路基差異沉降研究。

圖12 單側(cè)加寬時現(xiàn)場沉降監(jiān)測結(jié)果

圖13 舊路挖除重筑時現(xiàn)場沉降監(jiān)測結(jié)果

4 結(jié)論

以廣西玉林地區(qū)岑溪南渡至陸川公路改建工程為背景,利用ABAQUS有限元軟件建立四級公路單側(cè)拓寬、雙側(cè)拓寬、挖除重筑3種拓寬方式數(shù)值模型,獲取計算沉降結(jié)果,結(jié)合現(xiàn)場實測沉降數(shù)據(jù),分析不同拓寬方式下道路沉降分布情況,主要得到以下結(jié)論：

(1)路基單側(cè)加寬時,填筑期路基沉降沿舊路路肩向新路路肩逐漸減小,通車運營后,沉降最大值出現(xiàn)在新舊路基結(jié)合部附近；地基沉降呈盆形,沉降最大值出現(xiàn)在結(jié)合部附近,路基自重是地基沉降的主要原因。

(2)路基雙側(cè)加寬時,道路整體沉降沿路基中線兩側(cè)對稱,路基沉降較均勻,且兩側(cè)沉降小；地基整體沉降在填筑期呈現(xiàn)W形,通車運營后表現(xiàn)為U形。

(3)舊路基挖除重筑時,路基差異沉降減小,但道路整體沉降增大。因舊路側(cè)地基前期固結(jié)基本完成,拓寬側(cè)路基沉降稍大,地基沉降最大值位于結(jié)合部偏舊路側(cè)。

(4)因測量誤差及施工擾動,現(xiàn)場沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)比數(shù)值計算結(jié)果整體大5 mm左右,誤差控制在10%左右。