山区公路半填半挖式路基沉降控制标准探究

2021-03-05

中国公路 2021年3期

（昌吉公路管理局奇台分局，新疆昌吉 831100）

责任编辑/孙誉菡美术编辑/王德本

新疆山区地形复杂多样，公路路基多为半填半挖式结构。大量工程实践表明，半填半挖式路基的路段，在施工后未及时得到合理养护和控制管理的情况下，由于路面结构弯曲对路基结构产生附加应力，从而使路面结构易出现早期结构性损伤和破坏。针对该问题，已有的路基修筑规范给出了一些建议性措施，但没有给出需要控制路基的评判标准。要解决该系列问题，重点在于提出能够正确反映沉降对路面结构影响程度的指标。

一、山区公路沉降分析模型

分析道路发生不均匀沉降后路面结构的变化规律，第一步是研究路基内不均匀沉降的分布规律。使用传统的“沉降-时间”曲线预测工后沉降，并不能如实反映路基不均匀沉降的发育情况。在目前研究中，广泛采用的计算方法是以考虑时间效应的岩土本构模型为基础进行计算研究，该本构模型基于比奥固结理论的计算方式开展，需忽略自重作用下的路基变形，主要用于平原地区而不适用于山区路基，二者区别明显。

二、半填半挖式路基沉降控制指标

路基工后不均匀沉降会直接造成路面结构的变形。在以往研究中，通常将施工完成后的工后沉降曲线假设为抛物线，如图1所示。

图1 半填半挖式路基施工完成后沉降曲线

影响路基沉降的因素包括路基填料的性质，施工的质量、工艺、管理水平，以及半填半挖式路基结构设计。通过大量研究证明，工后沉降的沉降曲线是在后续荷载作用下，路基蠕变累积效应产生的。若曲线形状为勺形，意味着路基的蠕变在整体填筑路面前已得到很好的发育，在路基蠕变已得到充分变形的基础上，路面结构层不会因工后沉降产生破坏变形。若曲线形状表现为S形，是由于路面铺填之前蠕变未发育完全造成的，此时，半填半挖式路基沉降需采用更合理的措施加以控制。

在此基础上，对半填半挖式路基的沉降分布展开进一步探究。以S形的拐点为分水岭，拐点两侧的曲线均视为抛物线，因此在拟合研究室开展分段研究更加合理。基于此，以半填半挖式路基的结合部位为分界点。曲线方程如公式（1）所示：

三、不均匀沉降指标选取分析

在评价路基不均匀沉降时，通常会采用控制性指标对坡度变化量和差异沉降量展开分析。山区半填半挖式路基的沉降变形，通常被认为同时包括了弹性和塑性变形的综合过程，尤其山区公路填料较破碎，土体在一般应力情况下就可能发生屈服，且应力应变曲线是非线性关系，可以采用非线弹性模型（KG模型）分析。土体的总应变如公式（2）所示：

使用模拟计算的方法分析坡度变化量和差异沉降两个指标，路面结构层的计算参数如表1所示，计算模型示意图如图2所示。

表1 模型计算材料参数

图2 附加应力计算模型示意图

通过分析不同曲线形式沉降对应指标之间的关系发现，面层顶面的拉应力附加应力最大。经计算分析发现，差异沉降量与弯拉应力之间的关系如图3所示。当差异沉降达到5m时，差异沉降量与弯拉应力之间存在明显的线性关系，因此使用弯拉应力作为反映差异沉降的指标合理。

图3 拉应力与差异沉降关系图

四、算例分析

以新疆某山区高速公路为例分析半填半挖式路基差异沉降，路面结构材料相关计算参数如表2所示。该区段半填半挖式路基的边坡坡度比为1：1，填方部分路基宽度为12.5，填方路基填筑高度为4m～8m，路基总宽度达25m。在填方开始前，需破碎平整山坡基岩，将破碎带额基岩运用到填方部分的路基填筑；挖方部分则直接开挖，将底部的基岩作为路基使用。考虑到重力对早期地基变形的影响，需先对地基进行地应力平衡处理，同时将重力作用下的地基应力场作为后续计算的初始应力场。为便于分析计算，该模拟对模型进行了假定：

1.将该模拟简化为平面应变，忽略沿道路方向的应变；

2.将路堤各层及地基各层材料均视为连续均匀介质；

3.该模拟仅考虑重力荷载作用下路堤的变形及应力分布，以及公路投入运营后的汽车荷载，不考虑地震等因素造成的振动；

4.各层地基底面均简化为水平面。

使用FLAC3D数值模拟软件计算模型，模拟山区公路在硬质荷载作用下，面层各个部分的顶部应力分布情况，通过计算得到路面材料顶面的拉应力如表3所示。

表2 新疆某高速公路路面材料参数