某高速公路路面開裂原因分析及其加固方法研究

■鄒君俊

(福建省福泉高速公路有限公司， 福州 350001)

1 工程背景

某高速公路地處軟基路段， 地表多為農(nóng)田、耕地，且為填方路基，填土高度在3～5 m。 路基寬度26 m，包括土路肩、硬路肩和4 個行車道。某高速公路標準橫斷面如圖1 所示。

圖1 某高速公路標準橫斷面

近年來，隨著周邊經(jīng)濟的快速發(fā)展，通過該高速公路路段的車流量迅速增長， 重型車比例也有所增加， 使得該高速公路路面出現(xiàn)不同程度的開裂破壞(圖2)。 由圖2 可以看出，路面開裂位置主要出現(xiàn)在硬路肩。 為了保證高速公路的行車安全性和舒適性，本文采用有限元分析方法，對該高速公路路面發(fā)生開裂破壞的原因進行了深入分析和探討。同時，由于該高速公路是福建省重要通道之一，封閉交通不僅會對周邊路網(wǎng)沖擊過大，而且繞行過遠，造成交通資源浪費。 為此，基于該高速公路路面發(fā)生開裂破壞成因分析結果、 現(xiàn)場實際條件等，探討了不中斷交通的路基卸載+坡腳反壓的加固方法。

圖2 路面開裂照片

2 有限元模型的建立

2.1 模型尺寸的確定

根據(jù)該高速公路路基填土高度范圍和橫斷面設計圖， 取路基填土高度為4 m， 路基寬度取26 m，路基邊坡坡度取1∶1.5。 考慮到路基周邊地基土體或是基本已經(jīng)達到穩(wěn)定， 或是為原狀土，因此，為了避免邊界條件產(chǎn)生圣維南效應[1]，有限元分析模型的平面尺寸取200 m×200 m，平面尺寸為路基跨度的7.7 倍，滿足大于6 倍路基寬度的要求；地基深度宜大于路基高度的6 倍，取30 m。

2.2 網(wǎng)格劃分及本構關系

路基、路面和地基均采用ABAQUS 中常用的六面體單元。 為了提高分析效率， 對于重點關注區(qū)域——路面、 路基和路基周邊一定范圍內(nèi)采用精細網(wǎng)格，而在非重點關注區(qū)域，采用過渡網(wǎng)格或者稀疏網(wǎng)格。根據(jù)現(xiàn)場實測結果可知，路面與路基和路基與地基表面間貼合良好，為了防止路面、路基和地基出現(xiàn)較多不是由于荷載作用引起的應力集中和結果失真， 需保證路面底面與路基表面和路基底面與地基表面節(jié)點和單元不僅數(shù)量相同， 而且兩者位置也應該一一對應，有限元模型及其網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 有限元模型及其網(wǎng)格劃分

由于土體結構不同于混凝土、鋼結構等，其具有高度的離散性和區(qū)域性， 因而本構關系相對較為復雜。 參照文獻[2]可知，由于摩爾-庫倫屈服準則一方面可以考慮土體S-D 效應和土體對內(nèi)部靜水壓力的敏感性，而且與其他屈服準則相比，具有操作簡單， 相關參數(shù)——粘聚力和內(nèi)摩擦角均可以通過現(xiàn)場取樣以及開展簡單的室內(nèi)土工試驗得到，因而被實際工程廣泛采用。 因此，本文研究的路基和地基的本構模型均采用摩爾-庫倫屈服準則， 相關參數(shù)取值均以該高速公路現(xiàn)場土體取樣所得試驗數(shù)據(jù)為準。

2.3 邊界條件及荷載工況

由于所取地基平面尺寸和深度能夠避免圣維南效應， 因而地基周邊邊界條件對本文分析對象——路基和路面的受力狀態(tài)不會造成影響，即有限元模型的邊界條件可取為： 約束有限元模型地基周邊的X 方向和Y 方向，約束有限元模型地基底部的X 方向、Y 方向和Z 方向。

根據(jù)現(xiàn)場車流量調查結果可知，由于該高速公路的硬路肩寬度較大，使得該高速公路沿線經(jīng)常有較多大型車輛會在硬路肩位置滯留休息[3]。 因此，為對該高速公路路面開裂進行成因分析，有限元模型的荷載工況包括3 種：分別是工況1-無車輛荷載作用、 工況2-硬路肩無滯留車輛和工況3-硬路肩有滯留車輛工況[4]，具體工況見圖4。同時，根據(jù)該高速公路的車道設計，有限元模型第一、二車道為微型車，第三、四車道為重載車輛。

圖4 荷載工況

3 路面開裂成因分析

3.1 變形結果分析

圖5 X方向變形

圖6 Z 方向變形

圖5～6 給出了該高速公路路面、路基及地基分別在工況1～工況3 作用下，沿X 方向(橫斷面方向)和Z 方向(豎向沉降方向)變形。由圖5～6 可以看出，當該高速公路路面沒有車輛通行時(工況1)，該高速公路沿X 方向和Z 方向的變形關于道路中心線呈軸對稱。 當路面承受車輛荷載作用，且硬路肩無滯留車輛時(工況2)，與工況1 相比較，該高速公路沿X 方向和Z 方向的變形均有較明顯的增大， 沿X 方向的變形由工況1 的8.4 mm，增大到16.4 mm，沿Z 方向的變形則由工況1 的42.2 mm，增大到92.5 mm。 相比于工況1 和工況2， 工況3 由于在硬路肩上有滯留車輛，且多為重載車輛，因而該高速公路沿X 方向和Z 方向的變形達到最大， 分別為21.9 mm 和117.7 mm，同時硬路肩有滯留車輛側的變形，明顯大于另一側，即偏載作用較為明顯。 此外，工況1～工況3 作用下， 該高速公路沿X 方向的變形趨勢均表現(xiàn)為朝道路中心線擠壓變形； 而沿Z 方向的變形趨勢則均表現(xiàn)為沉降變形。

3.2 應力結果分析

圖7 應力云圖

為0.177 MPa， 小于該高速公路路面容許拉應力0.22 MPa，即該高速公路在工況2 作用下，路面仍然不會發(fā)生開裂。

當硬路肩位置有重型車輛滯留時(工況3)，結合圖5～7 可知，與工況2 相比較，行車道內(nèi)路基的變形和應力均有所增大， 且由于硬路肩底部路基和地基的沉降變形減弱了路基對路面的支撐作用， 使得該高速公路路面最大應力由第四車道轉移至硬路肩位置，最大應力達到0.260 MPa，大于該高速公路路面容許拉應力0.22 MPa，此時該路面會發(fā)生開裂。 由此說明該高速公路路面出現(xiàn)開裂主要是由于車輛荷載偏載造成的。

4 不中斷交通路基加固研究

4.1 不中斷交通路基加固方法分析

由于該高速公路途經(jīng)沿海經(jīng)濟較為發(fā)達區(qū)域，交通量飽和度較大，且周邊區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展對該高速公路的依賴性較強，一旦對該高速公路進行全封閉不僅會阻礙周邊區(qū)域經(jīng)濟的發(fā)展，影響周邊居民的出行，而且封閉該高速公路導流出來的巨大交通量會對附近的高速公路、 國道、省道等備選路網(wǎng)產(chǎn)生較大的沖擊[5]。 因此，綜合考慮路面開裂成因分析結果、現(xiàn)場實際交通條件和現(xiàn)有路基加固方法， 設計了不中斷交通的路基卸載+坡腳反壓的加固方法。

為了實現(xiàn)上述在不中斷交通的前提下的路基卸載+坡腳反壓的加固方法，需開展以下幾個重要施工工序。 首先是優(yōu)化道路斷面和進行交通導流，具體做法是將既有道路斷面形式——0.75 m(土路肩)+4.75 m(硬路肩)+4×3.75 m(行車道)+4.75 m(硬路肩)+0.75 m (土路肩)(圖1)， 優(yōu)化設計為4.75 m(卸載區(qū))+0.75 m(土路肩)+3.5 m(硬路肩)+4×3.75 m(行車道)+1.25 m(路緣帶)+0.75 m(土路肩)(圖8)。

其次是進行路基卸載與反壓，具體做法是對第四車道側的硬路肩和土路肩進行開挖，開挖寬度為4.75 m，開挖坡度為1∶1.75，該坡度相比路基原邊坡坡度有所減緩，同時將卸載區(qū)域開挖出來的土方用于坡腳反壓，路基卸載與反壓具體尺寸見圖9。

圖8 優(yōu)化設計后的道路斷面

圖9 路基卸載+坡腳反壓工況模擬

最后是進行路面裂縫處治， 根據(jù)圖2 可以看出，該高速公路路面裂縫基本貫通，且裂縫寬度和深度相對較大，因而路面裂縫處治的具體做法采用豎向花管注漿方法對路面裂縫進行閉縫處理，并增強兩側路基土體的粘結強度。 注漿花管平面布置為2 m×2 m，孔深在1.5～2.5 m 范圍內(nèi)，排列方式采用梅花形，路面裂縫封閉處理施工工藝見圖9(a)。

4.2 加固效果分析

圖10 加固后受力性能分析

的變形狀況。 該高速公路路面應力則由0.260 MPa降低至0.165 MPa， 此時路面應力值小于該高速公路路面容許拉應力0.22 MPa，說明該高速公路采用路基卸載+坡腳反壓方法加固后， 即使后期硬路肩有重載車輛滯留，該路面也不會發(fā)生開裂。 綜合可以看出， 路基卸載+坡腳反壓加固方法不僅能夠改善該高速公路路基、路面和地基的變形，而且能夠提高其承載能力。

此外，通過對加固后的該高速公路路面進行長期監(jiān)測可知，加固后的該高速公路路面后期尚未出現(xiàn)新開裂的裂縫。 由此說明，采用路基卸載+坡腳反壓方法對該高速公路路面進行加固能夠有效改善路面的受力性能和提高路面的耐久性。

5 結論

(1)車輛荷載的作用會增大該高速公路的變形和應力；當硬路肩位置有車輛滯留時(處于偏載狀態(tài))， 該高速公路路面應力會由0.177 MPa 增大至0.260 MPa，超過路面容許拉應力值0.22 MPa，進而造成路面開裂，即該高速公路交通量存在偏載是造成路面開裂的主要原因。

(2)采用路基卸載+坡腳反壓加固方法能夠有效降低該高速公路的變形和路面應力狀況，路面應力可由0.260 MPa 降低至0.165 MPa， 即采用路基卸載+坡腳反壓方法加固后，該高速公路后期硬路肩即使有車輛滯留， 該路面也不會發(fā)生開裂。由此說明路基卸載+坡腳反壓加固方法不僅能夠改善該高速公路的變形， 而且能夠提高其承載能力。此外，通過分析后期監(jiān)測結果，證明了路基卸載+坡腳反壓加固方法的適用性和可行性。