基于結構巖土共同作用的道路懸臂結構計算方法研究

劉凱 胡雷嵩 劉曉飛 劉騰

摘 要：文章基于有限元分析的計算方法，對基于結構—巖土共同作用的道路懸臂結構的半橋式路基進行了仿真計算分析，與傳統的挖高填低路基結構進行了比較。在個案支持下，相同規模的挖高填低基礎的有限元計算分析結果，其穩定性、可靠性、安全性均不及半橋式基礎。在個案的工程設計方案對比階段，雖然半橋式結構在土石方排出、預制件運輸等過程存在一定的技術制約，但單純從結構計算方面，半橋式結構的優勢較為明顯。文章認為，如果克服相關技術的制約，半橋式結構在未來山區道路施工過程中有推廣價值。

關鍵詞：結構力學;巖土力學;有限元分析;半橋式路基;方案比較

中圖分類號：P632 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）09-0184-05

Study on Calculation Method of Cantilever Structure of Road Based on Structure Rock Soil Interaction

Liu Kai1， Hu Leisong2， Liu Xiaofei2， Liu Teng2

（1. Beijing Xinhangcheng Development and Construction Co.， Ltd.， Beijing 102600， China; 2. China Construction Civil Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100071， China）

Abstract：In this paper， based on the calculation method of finite element method， the half bridge subgrade of the cantilever structure of the road based on the structure rock soil interaction is simulated and analyzed， and compared with the traditional subgrade structure of digging high and filling low. With the support of individual cases， the finite element calculation and analysis results of the same scale of digging high and filling low foundations are not as stable， reliable and safe as half-bridge foundations. In the comparison phase of the engineering design plan of the individual case， although the half bridge structure has some technical constraints in the process of earthwork discharge and prefabricated parts transportation， the advantages of the half bridge structure are obvious only from the aspect of structural calculation. In this paper， if customer service technology constraints， half bridge structure in the future mountain road construction process has the promotion value.

Key words：structural mechanics; geotechnical mechanics; finite element analysis; half bridge subgrade; scheme comparison

0 引言

近年來，隨著我國道路基建向著山區陡峭坡地深度開發，山區陡峭坡地的道路寬度逐漸增大，高速公路等設施在山區陡峭坡地地區也逐漸普及，而早期挖高填低式的陡峭坡地路基實現模式，因為受到頻繁發生的地質災害影響，逐漸在技術上被淘汰，而懸臂結構的山區陡峭坡地大跨度路基結構，逐漸成為當前新建、改建大坡度大跨度山區道路的主要實現模式。游濤（2018）研究了在邊坡格構基礎上的道路懸臂結構的空間力學行為[1]。周志祥（2011）等從個案出發研究了山區道路拓寬工程中的半橋邊坡復合路基結構的施工方案[2]。游濤（2011）等從個案出發研究了邊坡格構基礎上的懸臂結構的山區道路施工技術方案[3]。

在山區道路的懸臂結構相關方案研究中，有限元分析計算驗證方法，是研究相關方案可行性的重要工具和重要途徑。許旭堂（2019）等基于有限元分析方法研究了山區道路邊坡的動載荷擾動表達及道路路基的力學響應特征[4]。崔學常（2013）從個案出發使用有限元分析方法對半橋邊坡復合結構的空間力學行為特征進行了分析[5]。

相關研究中，懸臂梁式山區道路拓寬路基較基于樁基擋土墻的挖高填低方案更加穩定可靠，結合綜合施工方案，且在當前橋梁工程相關設計技術和力學特征數據經驗積累的條件下，使用結構--巖土共同作用方案設計道路懸臂結構以實現山區陡峭坡地路基的大跨度路基施工過程，逐漸成為較成熟技術。本文將從個案分析出發，針對同一個案的路基設計方案對比分析，研究結構--巖土共同作用方案設計道路懸臂結構的實際工程意義。

1 個案基本情況

某高速公路連接線工程，位于鄂東山區大別山西段，全長126km，橋隧比為0.67，施工地質環境較為復雜，其中陡峭坡地路基長度27km，占全部設計路段長度的21.4%，如果在此坡地路基使用半橋結構，那么施工段的總橋隧比將提升到0.89。所以，在設計論證階段，該段路基的施工方案在傳統挖高填低方案和半橋方案之間，進行了較為激烈的討論。通過有限元分析，該項目的方案比較數據在本文中進行詳細論述。

該區域的基本道路路基情況如圖1所示。

圖1中，該個案高速公路采用雙向4車道+應急車道的布局模式，行車車道寬度為3.5m，應急車道寬度為2.5m，道路中間隔離帶和路肩隔離帶的寬度均為2.5m。所以，路基設計總寬度為26.5m，其中設計巖土路基寬度為10.8m，墊高土方路基或半橋路基的寬度為15.7m。因為該區域自然邊坡的平均斜率為18.5°，所以，如果采用挖高填低式的施工方案，且高地突破坡度設計為72°，其挖高部分擋土墻高度將超過4.2m，墊高部分最大墊高高度將超過4.6m，土方控制較為困難。挖高填低方案詳見圖1。

如果采用半橋式路基結構，半橋粱間距25m，則需要布置1080個半橋橋樁，半橋施工量較大。其半橋結構如圖2所示。

圖2中，路基寬度依然為26.5m，其中半橋結構寬度受到半橋結構特征影響，略大于填低路基的寬度，達到17.2m，其中內側1.5m橋板壓載在巖土結構上。其具體結構將在有限元建模分析中給與分析。橋墩部分，將布置3排2.5m，錨桿土釘將橋墩與基巖充分固定，以保持半橋橋墩的結構穩定性。

不論是上述挖高填低方案（圖1）還是半橋結構方案（圖2），圖中所示的原始邊坡，均為充分剝離強風化層后的邊坡，邊坡基巖為穩定玄武巖巖層，巖層含水量小，無第四系覆蓋，破碎帶與風化層未發育。

2 有限元模型的搭建

有限元模型的搭建過程中，構建1.75m×1.75m×1.75m的有限元單元格，對巖層路基部分、半橋橋墩部分、墊層部分進行分別的有限元建模。其中：

圖3為巖層路基部分的模型斷面，材質為弱風化玄武巖，其中抗壓強度（E）為36.4MPa，泊松比（ν）為0.38，比重（ρ）為2330（kg/m3）。

圖4為懸臂梁（半橋橋墩）模型斷面，材質為鋼筋強化混凝土，其中抗壓強度（E）為53.6MPa，泊松比（ν）為0.22，比重（ρ）為2580（kg/m3）。

圖5為填土層及擋土墻模型斷面。擋土墻材質為鋼筋強化混凝土，其中抗壓強度（E）為53.6MPa，泊松比（ν）為0.22，比重（ρ）為2580（kg/m3）。填土層為經過充分夯實的礫巖三合土，其中抗壓強度（E）為22.3MPa，泊松比（ν）為0.32，比重（ρ）為1810（kg/m3）。

3 動載荷條件下彈性應變及抗壓能力分析

本文個案的預計通車能力為1300輛/d每車道，模型測試中假定每車道通車量：2.0t車輛通過量為850輛/d（最高密度每小時通過80輛），7.0t車輛通過量為230輛/d（最高密度每小時通過20輛），15.0t車輛通過量為220輛/d（最高密度每小時通過20輛），其中外側車道主要載荷作用于半橋或墊高部分兩條車道中線，內側車道主要載荷作用于巖土路基內側整平部分兩條車道中線，重車主要作用于行車道中線，小車約6成主要作用于超車道中線4成主要作用于行車道中線。重車行車速度為90～100km/h，小車行車速度為100～120km/h。

3.1 路基部分的有限元模擬仿真

此條件下進行彈性應變和抗壓能力分析，其中巖土基礎部分應變分析如圖6及圖7所示。

圖6中，挖高填低方案的路基部分，內側路基外側與填土層結合部分，90d以上持續動壓沖擊下，可能出現超過200mm應變，屬于強應變區域。該區域厚度約3.5m，寬度約14m，屬于較高風險值。該區域需進行加強錨桿、錨索、注漿等綜合方案加強邊坡護理配合密集站樁加強護理，在特定邊坡護理模式下，可以保證該區域的理論長期應變被控制在90mm以內。

圖7中，采用半橋方案的路基部分，最大應變出現在路基錨固區的下部，90d最大應變值為75mm，該應變響應模式基本無需進行額外路基加強護理。

可見，半橋方案較挖高填低方案，可能給路基部分帶來的壓力更小。其主要原因在于因為半橋橋墩的整體性充分分散了車輛動載荷對路基的沖擊作用，加之半橋橋墩的底部錨桿向巖層深部的應力分散作用，導致半橋的路基控制更加積極。

3.2 加寬部分的有限元模擬仿真

此條件下進行彈性應變和抗壓能力分析，其中半橋和墊高部分應變分析如圖8及圖9所示。

圖8中，半橋橋墩部分的主要應變集中在地梁和頂梁的梁端部位，但總應變小于30mm，均為彈性應變，無蠕性應變可能。產生這一結果的主要原因是鋼筋混凝土梁本身的彈性模量較高，抗壓強度較高，且其整體的應力分散作用較強。

圖9中，墊高部分的主要應變集中在墊高路基的兩側，其中外側遠大于內側。外側出現一個90d長期應變大于200mm的區域，其厚度約2.6m，寬度約3.8m，如不能進行有效的邊坡護理措施，該區域發生塌方的可能性較大。通過錨桿、注漿等聯合加強模式，同時在外側擋土墻以上邊坡進行砌碹被動支護，可以將該90d應變控制在75mm以內。

4 有限元分析的結果討論

4.1 路基塌方可能性

上述分析中，采用挖高填低方案時，基巖部分和墊高部分，如無特殊加強措施，90d內都可能面臨超過200mm的形變。此形變量可能給路基帶來塌方可能。而半橋方案下，路基部分的最大形變約為75mm，半橋部分的最大形變約為30mm，該形變屬于可控形變。即在半橋模式下，路基安全性更高，如表1所示。

前文分析中，為降低挖高填低方案的形變量，減小其塌方可能，需要在強應變區域施行錨桿、注漿、站樁等強化支持邊坡護理措施，這些措施帶來的施工成本，較使用半橋式懸臂梁道路的施工成本相比，并無太大差異。且因為挖高填低方案帶來的工程質量風險和塌方風險本身影響，半橋方案在各方面優于挖高填低方案。

4.2 土石方運輸工程影響

傳統的挖高填低方案之所以長期以來被山區道路陡邊坡路基施工廣泛應用，其核心原因是挖高填低方案的土石方本地利用率較高。如采用半橋方案，則需要在施工區域內規劃大量面積用于挖高部分的排出土石方的堆放。該土石方排放工程將給施工循環帶來巨大影響。

如果不采用半橋結構進行道路建設，而是在坡度較陡區域采用完全橋結構，可以節約部分土石方量，但該方案會導致山區道路施工的橋隧比進一步增大。因為全橋梁結構的施工成本遠大于半橋結構，半橋結構的施工成本遠大于挖高填低結構，所以，如果考慮到土石方排放壓力，采用全橋結構代替半橋結構，會使得工程預算單價陡增。且在半橋結構施工中，需要充分剝離半橋生根基巖部分的中度和重度風化層，也會帶來一定程度的土石方運輸壓力增加。

早期山區道路施工中，為減輕邊坡維護壓力，可能采用分段式的道路路基施工方法，即將兩車道距離拉大，分別進行路基建設，參考這一模式，可以采用分段式的道路半橋路基施工方法，通過構建兩個半橋的方式拉大兩車道間距，在不同高度上構建半橋，從而避免了路基施工的土石方運量。如圖10所示。

圖10（上）為傳統施工模式下通過分別構建兩車道挖高填低路基的方式，減少開挖量和墊高量，從而保持路基穩定性的施工方案。圖10（下）為參照此分段式路基的施工方式，通過構建兩個分段式半橋充分避免挖高部分，實現道路路基的全半橋施工模式。文章之所以沒有采用雙半橋零開挖的施工模式，是因為在討論兩套方案時，道路的線路規劃工作已經基本完成，但通過本文分析，可以在后續施工過程中通過雙半橋零開挖的模式，減少施工的土石方運量，進一步優化施工過程，提升施工效率。

4.3 半橋道路基礎的實際價值

半橋式道路基礎是近10年逐漸興起，近3年逐漸普及的一種新興的山區道路陡邊坡實現模式，該模式較大橋隧比的施工方案成本更低，較傳統的挖高填低方案穩定性更好，具有較強的推廣價值。但在本文分析中，也發現了半橋道路施工過程中的土石方運輸壓力等諸多現實問題，同時，半橋的橋墩、橋梁的預制工作和前期養護工作也需要專用的場地，構件需要經過較長的運輸路線實現進出場。同時，橋梁部分的最大構件長度達到25m，橋墩部分的橫向尺寸達到15.7m，縱向尺寸達到7.3m，運輸過程無法使用常規車輛完成，且屬于超高、超長運輸。雖然國內相關特種運輸車輛完全可以支持該運輸需求，但必須保證運輸線路不通過公用道路，在施工場地內構建專用運輸線路，這也給施工過程帶來較大壓力。

所以，半橋道路可以在容許成本下實現陡邊坡山區道路基礎的工程實現，但在運輸方面，需要較大的土石方運輸量和專用預制構建的運輸臨時道路，相關構建的吊裝過程也需要特殊機械支持。半橋道路路基的施工屬于全新的道路施工技術，諸多相關技術需要在后續研究中逐一突破并保持持續革新。

5 結語

基于結構—巖土共同作用的道路懸臂結構是一種山區道路陡邊坡條件下的新興施工技術，在本文基于有限元分析的相關計算過程中，仿真結果表明該方案的穩定性、可靠性、安全性均顯著優于傳統的挖高填低模式，且從工程預算造假角度分析，該模式的成本遠小于大橋隧比的施工模式。基于結構—巖土共同作用的道路懸臂結構半橋式路基，如果克服相關技術的制約，在未來山區道路施工過程中有推廣價值。

參考文獻

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[2]周志祥，鄭文，游濤.用半橋-邊坡復合路基結構拓寬山區道路研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2011，30（04）：743-746.

[3]游濤，周志祥，鄭文.用邊坡格構基礎懸臂結構拓寬山區道路新技術[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2011，30（01）：74-77+106.

[4]許旭堂，簡文彬，吳能森，等.動荷載作用下山區道路邊坡耐久性研究[J].長江科學院院報，2019，36（01）：102-106.

[5]崔學常，張江濤，鄭文.半橋-邊坡復合道路結構空間力學行為分析[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2013，32（06）：1115-1118+1227.