高速公路拓宽变形特征分析

2021-09-10希尔良

科技研究 2021年3期

希尔良

摘要：随着我国经济的发展，地区间的交流越来越频繁，由此给公路交通带来了一定的压力，传统的高速公路需要进一步拓宽改建。本文通过对实际案例的分析，阐述不同的新路基处理措施对拓宽工程道路形变的影响，希望可以给相关工程提供数据参考。

关键词：高速公路;变形分析;软基处理;

确保新老路基形变保持协调是解决软土地基上对高速公路加宽的主要研究核心。常用的应对措施主要从路面的处理、路基连接部位的治理以及地基的整治三个方面入手。近些年我国大力修整了多条高速公路，因此在高速公路表面与路基连接部位的处理具有丰富的处理经验。但对于基于软土基的处理上方法相对单一，随着未来我国经济的进一步发展，需要拓宽的高速公路将越来越多，而采取正确的地基处理形式对于加宽工程具有重要意义。故此，本次以思澜高速公路拓宽为案例，对其进行数据分析。

一、有限元建模

（一）工程概况

以思澜高速公路为例，该高速公路为双向四车道，顶面宽度26米，为缓解巨大的车流量，将在原路两侧均加宽8.25米。计算所取的典型断面路基高度4米，新老路边坡为1：1.5。加宽路基为4层施工，每层施工时间设定为30天。新老路基底部为50cm的砂垫层，在加宽之前，将老路的坡度降至1：0.5，根据计算，横向取50米。结构中左右边界横向固定、底部横向和竖向固定。地下水位线位于地表下2.0米处，排水边界位于砂垫层底部。软基土体由上到下分别为厚2.7米的粉质黏土、厚8.5米的淤泥质黏土、厚2.9米的淤泥质粉土和后0.9米的夹砂淤泥质黏土。其计算模型，如图1。

在计算模型中，砂垫层、软基土层和路基填土均为Duncan-Chang模型，根据典型断面所得的计算参数如表1所示。轻质填料选用线弹性模型，弹性模量E为3.5Mpa，泊松比为0.1，重度γ为10kN/m3，渗透系数kx=ky=4.2×10-10cm/s。

（二）计算工况

经加宽工程试验，计算分析新老路软基不同处理方式共12种工况。其计算工况如表2所示。

二、计算结果分析

（一）新老路基工后沉降变形

经计算结构显示，老路在拓宽前已趋于稳定状态，对应的软基土体基本已完全固结，与老路中心线距离越大，土体的强度越低。为此，在新路基施工，软基土体强度的分布不均是造成新老路基间沉降差异的主要影响因素。此外，老路基经自重和车辆荷载作用后，强度增加，压缩性减小，压缩性较高的新路基会加大沉降差距。显现在路面的差异沉降则会改变道路的横坡比，继而影响到车辆的行驶舒适度。

（二）施工期老路基沉降变形

高速公路拓宽过程中，老路依旧是承担交通荷载的主体。为此，在控制新老路基工后沉降的同时，还应重视采用不同地基处理方式在拓宽施工期对老路造成的干扰。

（三）水平位移

在拓宽荷载作用的影响下，新路基下软基北部形成两个方向相反的水平位移集中区。老路软基移向道路中心，新路软基浅层在新路基的进入移向道路中心，软基深层则移向道路外侧。如果能控制软基的横向流动，则能有效的减少新路基荷载对老路造成的干扰。同时，结合软基内水平位移中区埋深情况，新路基右侧坡脚的隔离墙需具有一定的深度，左侧隔离墙的深度可稍低些。

（四）老路稳定状况

老路的固结状态随着时间推移不断稳定，工后的沉降逐渐减少，当老路的固结度超过70%时，则对新老路基的工后沉降影响较小。且经研究表明，新路采用复合地基时老路施工期产生的沉降变形以及受固结状态的影响显著降低。针对采用不同地基处理方式的施工期老路，其稳定状态坡差的影响相同。老路固结度越大，施工期老路坡差越小，对于超过70%固结度的老路，其坡差对固结度的影响显著降低。此外，不同固结状态下的新老路基工后的坡差不大，普遍低于0.2%。因此，老路的固结度对施工期老路存在较大的影响，对新老路基则影响不大，且，当超过70%固结度时，老路固结状态的影响减少。

（五）填筑速度

通过分析DD工况下新路基1、2、4次填筑时新老路基工后沉降和拓宽施工期老路沉降发现：路基分层建筑能有效减少新老路基工后沉降，三类填筑方式的最大沉降值分别为20cm、18.5cm和16.4cm。同时，分层填筑也有效降低了老路中心的隆起量以及坡度差。因此，新路基采用分层填筑的方式能有效的减少软基内部孔压，增加强度，减少新老路工后沉降，避免干扰施工期老路。

（六）软基处理方式

有限元计算中心塑料排水板与相同直径的砂井相同计算，塑料板的施工长度约为10米，其直径为50mm。常规使用的计算是按照李豪的根据固结度等效为原则，将用砂井加固的地基簡化为渗透系数较大的均质地基，继而算出的等效渗透系数能用于分析平面或三维的有限元。

拓宽工程中，塑料排水板呈三角形分布，间距设定为1.5米，在软土地基中埋深15米，塑料排水板后砂井通水能力，涂抹区直径为0.3米，推算出软土地基排水板埋深区域内各层土体等效竖向渗透系数为7.366、18.934、18.445和19.169。同时，在有限元模拟时，将粉喷桩复合地基简化成平面应变模型，其对应的桩身直径和桩间距不变，根据降低桩身强度和渗透系数来进行计算。

拓宽工程中，粉喷桩呈正方形分布，桩间距为1.3米，直径为0.5米，桩长15.5米，进入持力层0.5米，弹性模量为200Mpa，渗透系数为。简化后的弹性模量为70Mpa，渗透系数为。

三、结论

利用有限元方式对高速公路拓宽工程中新老路软基采用不同方式过程中的沉降量和水平位移等相关数据进行了模拟。其结论如下：

（1）新老路路基拓宽后沉降分布曲线为“马鞍形”，老路基中心位置沉降值最下，新路基中心位置沉降值最大。因此，拓宽工程后的沉降控制点为新路基中心位置。

（2）老路基经新路基的拖拽作用后使得老路表面在施工期产生的沉降呈现为反“弯沉盆”，甚至出现开裂的现象。在施工期间，老路依旧承担交通荷载，在拓宽过程中，需在控制新老路基施工过程中产生的沉降的同时，还需利用合理的地基处理方式来减少加宽施工对老路造成的影响。这也是拓宽工程与新建公路的差异。

（3）老路软基处理和新路软基排水固结处理对老路都对造成较大的干扰，采用两者相结合的处理方式所对应的烦扰最小。为此，在拓宽工程中应首选利用复合地基。

（4）采用不同的地基处理方式所对应的新老路基在工后沉降坡度差异不大，而在施工期老路的坡度存在较大的变化。因此，拓宽工程中，需重点控制新老路基工后沉降等问题。

（5）地基内部存在反方向的水平位移集中部位，老路软基移向道路中心，新路软基移向道路外侧，此类移动现象是采用应力隔离墙减少新路基荷载对老路造成影响的理论基础。另外，新路基左侧坡脚隔离墙的长度可短于右侧坡脚。

（6）老路固结状态对施工期老路存在较大的影响，但对新老路基工后的变形影响不大。此外，当新路利用复合地基处理方式时对老路变形的影响不大。新路基采用分层填筑的方式能有效减少新老路基工后沉降的同时较少对施工期老路的干扰。

四、结语

研究表明，采用塑料排水板对施工期的老路干扰较为严重，而新路基采用复合地基能有效降低工后老路变形。此外，在新路采用复合地基的情况下，老路固结状态对施工期老路沉降变形的影响不大。

参考文献：