改扩建高速公路路基不均匀沉降的影响因素分析

2018-03-27向尧，曾颜

西部探矿工程 2018年3期

向尧，曾颜

（1.湖南省张家界市交通建设工程造价管理站，湖南张家界427000；2.长沙理工大公路工程试验检测中心，湖南长沙410000）

1 概述

高速公路对于地区经济的发展有着至关重要的作用，快速、便捷、高效的高速公路网络，是不同地区之间经济发展的关键所在，随着我国经济的快速发展，交通运输行业也在不断的发展，各种运输车的数量也在不断地增加，导致我国部分高速公路通行能力严重不足，因此，高速公路的改扩建工程十分的艰巨。对于高速公路改扩建而言，路基的扩建尤为的关键，因为扩建路基与原有路基的交界处通常会出现不均匀沉降的问题，该问题严重影响高速公路的施工质量，因此，对改扩建高速公路路基不均匀沉降影响因素的分析具有很重要的现实意义。

针对改扩建道路不均匀沉降问题，我国部分学者进行了较为详细的研究，取得一定的成果。例如：郑晓翔[1]以双线评高速为例，探究水泥混凝土高速公路扩建工程的质量评价指标，分别在基层防水、防雨与排水以及填料压实等3个方面对路基沉降进行监测；郭振家、贾荣晓[2-3]等对不同类型的路基扩建拼接问题进行了研究，得到不同的拼接类型下路基的沉降监测值，发现分离式改扩建路基其产生的不均匀沉降值较小；孙民刚、赵永成[4-5]等以叶信高速公路改扩建工程为依托，认为新旧路基的拼接过程中，应当着重做好防水处理，这是控制新旧路基不均匀沉降的关键。根据上述研究成果可知，目前针对改扩建路基不均匀沉降问题的研究主要针对于施工设计以及质量监控，而对于产生不均匀沉降的机理以及影响因素的研究较少，因此本文以武靖高速公路为例，以路基有效理论为依据，运用有限元计算软件分析多种路基拓宽形式下，其不均匀沉降的分布规律，对高速公路改扩建工程中的不均匀沉降控制具有一定的指导意义。

2 理论依据

有效应力理论是计算路基沉降的基础理论，对于土体任意截面而言，截面所受的总应力σ主要有土颗粒之间的有效应力与土颗粒间隙之间的水以及空气产生的孔隙应力组成，其有效应力公式如式（1）[6]：

式中：σ——土颗粒之间的总应力；

σ′——土颗粒之间的有效应力；

μa——空隙中空气产生的应力；

μw——土颗粒之间孔隙中水产生的应力。

式中：F——土体假设截面的面积；

Fw——颗粒之间的接触面积。

3 模型建立与计算方案的确定

3.1 模型建立

根据武靖高速公路的改扩建工程实际情况，该路段的扩建路基的填筑高度H为4～8m，路基坡比为1∶1.5。原有路基的宽度为24m，路面宽度为12m，路基加宽的形式有2种：一种为路基单侧加宽见图1，路基的底部与顶部分别加宽12m；另一种为双侧加宽见图2，原有路基两侧的顶部与底部加宽6m。对原有路基土体以及新填筑土体进行室内外实验，得到土体的物理力学参数见表1。

图1 路基单侧加宽计算模型

图2 路基双侧加宽计算模型

表1 土体参数

3.2 计算方案

为探究改扩建路基不均匀沉降的影响因素与分布规律，同时根据武靖高速公路的实际情况，在规定扩建路基宽度不变的情况下，确定计算方案。首先在数值计算软件Geo-studio中的Sigma模块中建立2种路基加宽形式的模型，将路基的填筑高度分别设置为4m、6m、8m，并在路基模型表面设置监测点，以便监测路基表面的沉降值，检测时间设置为150d。

4 计算结果分析

图3为单侧路基加宽形式下监测时间为150d时路基的沉降曲线，通过该图可知：原有路基的沉降值可以忽略不计，填方路基的沉降值较大；当距离原有路基的位置相同时，填方路基沉降值随着填筑高度的增加而增大；相同的填筑高度H时，距离原有路基越远其沉降值越大。产生上述现象的原因是：原有路基修筑的时间长，前期在车辆荷载与自然环境的影响下，其自身的固结沉降已经完成，所以后期使用中基本不会出现沉降；距离原有路基越远或者填筑高度越大，其填方路基的厚度越大，其自身固结沉降的范围也就越大。

图4为当填方单侧路基加宽形式下最大沉降值随时间的变化曲线，通过该图可以得到，路基在150d时的最大沉降值为0.057m，当沉降20d时其沉降值为0.027m，占总沉降值的47.4%，当沉降50d时其沉降值达到了0.046m，占总沉降值的80.7%，而随后沉降100d其沉降值不足总沉降值的20%，说明路基在填筑完成初期其沉降值增长较为明显，随着时间的增长其沉降值的增加量越来越小。对单侧加宽路基的沉降值进行分析得到，其值与沉降时间呈对数关系，拟合得到的公式为：y=0.0125ln(x)-0.0059 ，其中R2=0.9601。

图3 单侧路基加宽形式下的沉降曲线

图5 所示沉降时间为150d时双侧路基加宽形式下的沉降曲线，通过该图可以得到：原有路基的基本上不存在沉降，填方路基存在明显的沉降，并且沉降值以道路中心线为基准对称分布；距离道路中心线相同的位置，填方路基高度越大其沉降值也就越大，同时，距离路基中心线越远其沉降值也就越大，这与单侧路基加宽形式下的沉降值分布规律基本一致。产生上述现象的原因是：原有路基在前期使用过程中，在车辆荷载以及环境作用下，其自身的沉降变形已基本完成；距离道路中心线越远路基的填土厚度就越大，其沉降的预留空间也就越大。

图4 单侧路基加宽形式下最大沉降值随时间的变化曲线

图5 双侧路基加宽形式下的沉降曲线

图6 为双侧路基加宽形式下最大沉降值随时间的变化曲线，路基在填筑完成初期其沉降值增长较为明显，随着时间的增长其沉降值的增加量越来越小。当将沉降时间为20d时，单侧加宽路基最大沉降值与双侧加宽路基最大沉降值分别为0.027m、0.023m，同样，当沉降时间为150时，两者的最大沉降值分别为0.057m、0.049m，说明当总体加宽长度一样时，采用双侧加宽路基的形式，可以有效地减少路基的最大沉降量。对双侧加宽路基的沉降值进行分析得到，其值与沉降时间呈对数关系，拟合得到的公式为：y=0.0116ln(x)-0.0062，其中R2=0.9544。