高速公路高填方路基沉降變形數(shù)值模擬分析及防治措施研究

楊錦鳳，周浪峰

(1.廣西新恒通高速公路有限公司，廣西 南寧 530000；2.柳州市交通綜合行政執(zhí)法支隊(duì)，廣西 柳州 545000)

1 路基沉降變形數(shù)值模擬分析

1.1 計(jì)算模型及參數(shù)確定

(1)建立路基計(jì)算模型

高速公路車道為雙向四車道，路基寬度選取26 m，第二、三級(jí)路基填筑高度均為8 m，第一級(jí)邊坡坡率為1∶1.5，第二、三級(jí)邊坡坡率均為1∶1.75，邊坡平臺(tái)寬度均為1.5 m。

(2)模型參數(shù)確定

路基填土按照三級(jí)路堤填筑，路基模型計(jì)算過程中主要涉及路基土體物理力學(xué)參數(shù)，基于相關(guān)資料得到土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 路基土體物理力學(xué)參數(shù)表

(3)土體力學(xué)參數(shù)確定

采用Mohr-Coulomb力學(xué)模型，土體變形參數(shù)采用體積模量(K)及剪切模量(G)。采用相關(guān)公式(1)及(2)將回彈模量(E)和泊松比(μ)轉(zhuǎn)化成體積模量(K)和剪切模量(G)，如表2所示。

表2 路基力學(xué)參數(shù)

K=E/3(1-2μ)

(1)

G=E/2(1+μ)

(2)

1.2 路基填土高度對路基沉降變形的影響

(1)模型計(jì)算范圍、水分邊界條件、初始值及位移邊界

選取填土高度分別為18 m、20 m、22 m的路基，按同級(jí)路堤填土高度土體性質(zhì)相同進(jìn)行簡化處理。路側(cè)無積水時(shí)，路基考慮在最佳含水率為10%實(shí)施填筑。

路基模型左右兩側(cè)采用x方向上的位移為0，即δx=0；路基模型前后兩側(cè)采用y方向上的位移為0，即δy=0；路基底部沿x、y方向受約束，即δz=0。

(2)計(jì)算參數(shù)選取

根據(jù)表1、2選取路基模型計(jì)算參數(shù)。

(3)路基模型計(jì)算分析

由圖1可看出，在路基頂同等作用力下，路基豎向等位線隨路基填土高度增大而加密，路基豎向變形隨高度增加而增大，且從路基邊部向中部豎向等位線加密，即從路基邊部向中部豎向變形增大。路基隨高度增大，自重增加，豎向沉降變形量增大，工后沉降變形量增大，路基穩(wěn)定性越低。

圖1 填筑路基高度20 m與填筑路基高度22 m對豎向沉降變形影響的趨勢云圖

1.3 路側(cè)積水對高路基沉降變形的影響

(1)路基模型計(jì)算、邊界條件及相關(guān)參數(shù)確定

選取路基高度為18 m，路基左側(cè)積水10 d，其他邊界條件、相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)條件保持不變，模擬路基豎向沉降變形趨勢。

(2)模型計(jì)算分析

由圖2可看出，路側(cè)積水時(shí)，路基豎向變形等位線較無積水的加密，路基豎向變形增大；路基豎向總體變形與路側(cè)積水距離成反比，積水處路基豎向變形達(dá)到最大。水分遷移到路基內(nèi)部，路基土體抗剪強(qiáng)度下降，增大路基容重，導(dǎo)致豎向沉降變形逐漸增大，路基穩(wěn)定性下降，縮短路基使用壽命，進(jìn)而影響路面使用性能。

圖2 路側(cè)無積水、積水對路基豎向沉降變形影響的趨勢云圖

1.4 土工格柵處治對高填方路基沉降變形的影響

選取18 m路基高度未采取土工格柵處治與每填筑路基厚4 m鋪設(shè)一層土工格柵材料處治進(jìn)行模擬路基豎向變形趨勢。

由圖3可看出，每填筑厚4 m采取土工格柵處治后路基豎向變形明顯減小，鋪設(shè)土工格柵提高每層路基基底抗拉強(qiáng)度性能，有效改善路基沉降變形，有效控制高路基沉降變形總量，土工格柵對土體具有固結(jié)性作用，保證路基穩(wěn)定性。

圖3 未采用土工格柵與采用土工格柵處治對填筑路基豎向變形影響的趨勢云圖

1.5 增強(qiáng)補(bǔ)壓措施對高填方路基沉降變形的影響

選取20 m路基每填筑厚2 m采取增強(qiáng)補(bǔ)壓措施與未采取增強(qiáng)補(bǔ)壓措施對路基沉降變形分析。

由圖4可看出，采取增強(qiáng)補(bǔ)壓后，路基豎向沉降變形量明顯小于未采取增強(qiáng)補(bǔ)壓的沉降變形，沖擊增強(qiáng)補(bǔ)壓或強(qiáng)夯增強(qiáng)補(bǔ)壓措施有效提高路基壓實(shí)度，加速路基沉降變形速度，降低路基后期沉降變形量，保證路基后期豎向沉降變形控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)，降低因路基沉降導(dǎo)致路面開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 未采用增強(qiáng)補(bǔ)壓、采用增強(qiáng)補(bǔ)壓措施對路基豎向沉降變形影響的趨勢云圖

1.6 半填半挖路段高填方采取土工格柵處治對路基沉降變形的影響

由圖5可看出，下路堤范圍填筑每2 m厚及路床范圍填筑每0.5 m厚在填挖交界處鋪設(shè)一層土工格柵后路基豎向沉降變形及水平位移明顯下降，填挖交界處是路基抗剪切變形能力薄弱面，采取土工格柵處治后有效提高填挖交界處抗剪切變形能力，降低路基豎向沉降及水平位移超出規(guī)范允許范圍的風(fēng)險(xiǎn)，有效預(yù)防填方區(qū)域沉降變形過大導(dǎo)致路基縱向裂縫，確保路基穩(wěn)定。

圖5 填挖交界處未采取土工格柵處治與采取土工格柵處治對路基沉降變形影響的趨勢云圖

2 高填方路基沉降變形防治措施

2.1 采取土工格柵處治

在填挖交界處路面底超挖部分設(shè)置三層土工格柵，以下路堤每2 m設(shè)置一層土工格柵，搭接寬度為0.2 m，用鐵絲綁扎連接。土工格柵采用φ8鋼筋彎制成u型鉚釘錨固，錨釘間距為1 m，錨固長度不小于0.65 m。路面底超挖部分以下路堤的土工格柵采用外側(cè)反包搭接，搭接長度1.5，如遇到臺(tái)階，搭接長度為2.5 m。

2.2 增強(qiáng)補(bǔ)壓措施

為確保路堤安全穩(wěn)定和減小路基沉降變形，基底清理完畢后，采用重型壓路機(jī)碾壓處理，基底壓實(shí)度保證不小于90%，路堤每填筑2 m采用沖擊碾壓，對路堤進(jìn)行增強(qiáng)不壓，填筑至路槽底10 cm時(shí)，采用沖擊式壓路機(jī)進(jìn)行路床增強(qiáng)補(bǔ)壓。沖擊遍數(shù)以前后兩遍沉降變形量控制在允許范圍內(nèi)為止。采取沖擊碾壓最大限度加速路基沉降，大大降低路基后期沉降變形風(fēng)險(xiǎn)，確保路基穩(wěn)定安全可靠。

2.3 加強(qiáng)邊坡防護(hù)及完善排水系統(tǒng)

路基防護(hù)堅(jiān)持“安全、環(huán)保、和諧、綠色”原則，在滿足安全的前提下盡量選用環(huán)保、綠化的型式，突出植被護(hù)坡綠化功效。路基土路肩邊緣、坡腳及坡頂?shù)绕侣首兓c(diǎn)應(yīng)在施工時(shí)結(jié)合原有地勢予以削成圓弧形，與自然環(huán)境融為一體，提供良好的視覺效果。

根據(jù)邊坡高度，路基一級(jí)邊坡坡率采用1∶1.5，二級(jí)邊坡及其以上采用1∶1.75，每級(jí)邊坡設(shè)置2 m平臺(tái)，采用工程防護(hù)與綠化有機(jī)結(jié)合方式進(jìn)行邊坡有效防護(hù)，完善坡底排水溝、平臺(tái)截水溝、坡頂截水溝及急流槽，實(shí)現(xiàn)整個(gè)排水系統(tǒng)有機(jī)銜接及暢通，將坡面水排至路基范圍外，確保邊坡穩(wěn)固，綠化美觀。

2.4 設(shè)置護(hù)腳支擋結(jié)構(gòu)物

高路堤一般位于山間洼地、沖溝中，根據(jù)地質(zhì)條件、路基填料及地面橫坡等情況，對各段高路堤進(jìn)行穩(wěn)定安全驗(yàn)算。保證路基穩(wěn)定安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求F≥1.25。根據(jù)穩(wěn)定驗(yàn)算情況可采用設(shè)置擋土墻等支擋構(gòu)造物或設(shè)置反壓護(hù)道等方法保證路基穩(wěn)定性，同時(shí)為保證路堤安全穩(wěn)定和減小不均勻沉降，采用沖擊碾壓和強(qiáng)夯法對路基進(jìn)行增強(qiáng)補(bǔ)壓。在路基內(nèi)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)狀排水滲溝及時(shí)排疏路基內(nèi)水分，保持路基干燥。

3 結(jié) 論

(1)在荷載作用下，路基隨高度增加，豎向變形呈逐漸增大趨勢，并對上路堤范圍豎向變形影響較大，路基豎向變形由中部向兩側(cè)呈減小趨勢。

(2)因水分遷移致使路基土體抗剪切強(qiáng)度下降，在一定時(shí)間內(nèi)，路側(cè)積水距離與路基沉降變形量成反比，積水附近的路基沉降變形量最大，隨時(shí)間推移，路基豎向變形及水平位移將增大。

(3)對高路堤填筑時(shí)，填筑每2 m后采取增強(qiáng)補(bǔ)壓措施增大路基土體壓實(shí)度，可有效降低路基后期豎向沉降變形量，提高路基穩(wěn)定安全系數(shù)。

(4)高填方路基填挖交界處采取路堤每隔2 m設(shè)置一層土工格柵，提高路基豎向抗變形能力，有效降低路基豎向沉降變形量，保證路基穩(wěn)定可靠。

(5)路基邊坡有效防護(hù)及保證路基排水系統(tǒng)完善暢通對路基穩(wěn)定性具有極其重要的作用。