城市道路路基拓宽处治中土工格栅数值分析
2017-04-08陈建中
陈建中,王 蒙,王 诚
(武汉市政工程设计研究院有限责任公司,湖北 武汉 430023)
城市道路路基拓宽处治中土工格栅数值分析
陈建中,王 蒙,王 诚
(武汉市政工程设计研究院有限责任公司,湖北 武汉 430023)
公路改扩建城市道路工程中通常采用土工格栅处治路基拓宽搭接处新旧路基差异沉降。相关设计规范明确了新旧路基差异沉降的控制技术和控制标准,但对于土工格栅在路基拓宽处治段中最佳布设层数和竖向间距、位置等目前多为经验性的缺乏相应的设计方法和规范指导,存在经济上的浪费或效果不佳。以荆门南高速出入口综合整治工程拓宽搭接段为研究对象,建立路基拓宽有限元计算模型,通过有限元数值分析研究铺设不同方式土工格栅拓宽路基对路面竖向位移及路面横坡比的影响。根据计算结果确定了合理的格栅竖向间距与铺设方案,该研究结果可以为公路改城市道路路基拓宽处治提供方案参考。
城市道路;路基拓宽;差异沉降;有限元;土工格栅
0 引言
道路改造拓宽工程中新、旧路路基间的差异沉降导致路面整体性能下降、路基路面变形、开裂更甚滑移是旧路改造工程中普遍存在的问题。针对这一现状,目前路基拓宽搭接主要处治措施有:旧路基边坡上开挖台阶、铺设土工格栅等加筋材料和提高新建路基压实度控制标准等[1~3]。工程实践证明,土工格栅材料在降低新旧路基搭接位置的差异沉降效果最佳,使用也最为普遍。然而,土工格栅在路基拓宽段铺设的最佳布设层数和竖向间距、位置等多为经验性的,缺乏相应的设计方法和规范指导,存在经济上的浪费或效果不佳,因此很有必要对以上问题进行分析研究。
本文结合荆门南高速出入口综合整治工程,通过有限元ABAQUS软件对土工格栅在路基拓宽搭接处的作用效应等问题进行分析研究。
1 数值简化模型
为分析土工格栅布设的布设层数和竖向间距、位置等对于处治效果的影响,本文利用大型有限元分析软件ABAQUS,充分考虑地基和路基的压缩变形以及填挖方路基的相互影响作用,建立初始模型,然后根据不同情况建立各种模型进行分析对比,归纳各个影响因素对土工格栅加筋新旧路基的影响规律,从而提出合理的土工格栅布设方式,指导设计。
1.1 分析模型
荆门南高速出入口综合整治工程全长约4.1 km,现状拓宽路基平均高度3.5 m,全线改扩建基本以现状路基两侧拼接加宽为主。分析模型选取其中一段,主要计算参数完全按照工程实际情况选取,路基顶面宽度为60 m(两侧各拓宽22.5 m),路基边坡坡比1:1.5。分析模型路基填方段高度为3.5 m,自旧路基边坡顶部土路肩75 cm范围内开始开完开挖搭接,采取由下至上开挖台阶的拼接方式,设计台阶尺寸为1 m(宽)×0.5 m(高),以路基中线为对称轴,取对半结构建立模型见图1。
图1 路基拓宽设计图(单位:m)
在进行有限元分析时,作如下假定:
(1)从空间角度看,路基足够长,其宽度方向相对于长度方向基本可以忽略不计,可以将三维空间问题简化为平面应变问题进行处理;
(2)旧路基作用下的地基固结变形和旧路基自身的压缩变形均已完成,假定只有新拓宽路基部分土重力;
(3)新、旧路基结合面搭接较好,接触状态为假定为完全连续状态;
(4)假定土体均为理想弹塑性体。结构各层材料为均质、连续、各向同性;层间接触连续,完全粘合;
(5)边界条件:地基底面水平和竖向两个方向约束,地基宽度外侧水平向约束,中间为对称约束;
(6)将路面和汽车荷载等校为路基为1 m的填土荷载[2]。
1.2 计算参数
简化计算建立模型为平面应变分析模型,对于路面结构厚度及交通荷载,计算时等效为11.5 kPa的均布荷载[3],其它结构计算参数见表1。土工格栅的计算长度设为22 m,土与土工格栅之间的接触,采用界面约束处理,使用嵌入区域来处理(Embedded region),土工格栅作为嵌入区域,嵌入到路基中,路基作为主区(Host region)[6]。
表1 计算参数表[3]
2 算例计算分析
对于在新旧处治搭接处治中设置土工格栅能否有效减小地基沉降量,目前研究结果结论不一,有结论认为土工格栅与周围土体有机结合后可以增强土基的刚度并具有强大的抗侧向限制,不但可以提高地基承载力,而且能减少地基沉降量;也有分析认为土工格栅能提高地基承载力,但对缩小路基差异沉降量效果显著[4]。
目前,在路基拓宽处治设计中土工格栅的通常设置方式有:设置路床顶、设置路床底和逐层台阶铺设土工格栅等。为分析铺设土工格栅对处治新旧路基处治效果的差异,计算时选取以上常用的铺设方式从土工格栅铺设位置及铺设密度对路面的竖向位移影响进行分析。
2.1 铺设土工格栅位置对土基竖向位移影响
选取了铺设一层土工格栅置于路床顶(路床顶部以下30 cm)及路床顶底(路床底部以上30 cm)两种情形进行计算模拟,计算结果与未设置土工格栅时进行对比。图2给出了两种铺设位置的计算结果,图2中横轴为道路横向各点距旧路基中心距离,纵轴表示不同设置情形下路基的竖向方向的位移变化。
图2 铺设一层土工格栅时路面竖向位移
(1)图2位移曲线反应路基顶面的竖向位移沿道路横向呈现“凹形”分布,新旧路基间最大差异沉降发生于新旧路基结合处,即路基拓宽衔接位置。
(2)由曲线变化趋势来看,加设土工格栅能在一定程度减小路基沉降变形。而且,土工格栅铺设于路床顶对降低新旧路基差异沉降效果优于路床底。铺设路床顶面时,缩小新旧路基间差异沉降比不设土工格栅时减小7.4%~10%。
(3)土工格栅铺设路床顶和路床顶,局部位置路基竖向位移最大位移为16.7 cm,相对于旧路中心点差异沉降值为11.7 cm,对应横坡改变率为0.58%,高于《城市道路路基设计规范》(CJJ194-2013)中差异沉降引起的工后横坡改变率不应大于0.5%的上限规定要求[1]。表明在路基拓宽处治中设置一层土工格栅难以达到规范对新旧路基差异沉降控制要求。
2.2 铺设土工格栅密度对土基竖向位移影响
为增加土工格栅铺设层数满足规范中对路基拓宽工后沉降的规定,又不至于造成土工格栅,对土工格栅的铺设密度进行分析。在拓宽路基填土范围内结合新旧路基开挖台阶高度改变土工格栅铺设密度,选取五种多层土工格栅铺筑方案进行计算,见表2、图3。图4给出了五种不同计算工况条件下路面竖向的变化曲线图。
从图中可以发现:
(1)路基在未设置土工格栅条件下,新路基填筑完成后,新旧路基横坡比远远超出了既有路基与拓宽拼接路基沉降控制标准,而且随着道路改造后运营,土体固结完成,横坡比会进一步增大,降低道路的服务性能,影响行车安全。
(2)土工格栅在工况二、工况三、工况四和工况五时,最大沉降量分别为14.5 cm、15.2 cm、16.05 cm和 17.1 cm,横坡比分别为 0.042%、0.045%、0.049%、0.054%和0.058%。在这四种铺设方式中,土工格栅满台阶铺设时(土工格栅间距0.5 m)最大沉降量和横坡比最小。
表2 多层土工格栅铺设方案
图3 多层土工格栅铺设方案示意图
(3)土工格栅竖向设置间距越小,路面竖向位移值越小。当土工格栅的间距在1.0 m以内变化时,路面的竖向位移变化越来越缓慢,也就是说,当格栅间距小于1.0后,土工格栅降低路基的不均匀沉降的效率逐渐降低。基于以上计算分析,同时考虑到经济因素,荆门南高速出入口综合整治工程中路基拓宽搭接铺设3层土工格栅的技术方案。经过铺设土工格栅处理后,路基表面最大沉降量为16.05 cm,新旧路基横坡比为0.495%,满足规范要求。
图4 铺设一层土工格栅时路面竖向位移
3 结 语
本文结合荆门南高速出入口综合整治工程中路基拓宽设计对城市道路路基拓宽土工格栅设置进行了有限元数值分析,通过计算分析主要得出如下结论:
(1)分析结果表明一层或者两层及多层土工格栅对新旧路基搭接处置中加设土工格栅能在一定程度减小路基沉降变形。土工格栅铺设于路床顶对降低新旧路基差异沉降效果优于路床底。
(2)在路基拓宽处治中设置一层土工格栅难以达到规范对新旧路基差异沉降控制要求。
(3)基于计算分析,土工格栅铺设层数越多效果越好。考虑到经济因素,对于一般的城市道路路基拓宽搭接处治中考虑采用土工格栅设置1m间距的方案效果最佳。
[1]CJJ 194-2013,城市道路路基设计规范[S].
[2]JTG D30-2015,公路沥青路面设计规范[S].
[3]钱劲松,凌建明,黄琴龙.路基拓宽工程设计方法研究[J].公路交通科技2007,24(5):43-47.
[4]徐少曼,洪昌华.土工织物加筋堤坝软基的非线性分析[J].岩土工程学报,1999(7):438-442.
[5]傅珍,王选仓,陈星光.拓宽道路工后差异沉降控制标准[J].长安大学学报:自然科学版,2008,28(8):10-13.
[6]唐朝生,刘义怀,施斌,等.新老路基拼接中差异沉降的数值模拟[J].中国公路学报,2007,20(2):13-17.
[7]袁堃,汪双杰,牛富俊,等.多年冻土拓宽路基差异沉降特征分析[J].中国公路学报,2011,29(9):21-28.
U416.05
A
1009-7716(2017)03-0054-03
10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.016
2016-12-22
陈建中(1985-),男,江西萍乡人,工程师,从事道路设计工作。