不同加宽模式下公路路基路面变形特性对比分析

陈文韬,杨中曦,吴新宇

(1.葛洲坝集团交通投资有限公司,湖北 武汉 430033;2.广西葛洲坝田西高速公路有限公司,广西 百色 533099;3.中智湖北经济技术合作有限公司,湖北 武汉 430075;4.广西交通设计集团有限公司,广西 南宁 530012)

0 引言

随着国内交通网络的不断发展,许多老旧公路宽度已不能满足车辆通行需求,公路路基加宽改扩建成为解决该问题的重要方式之一。近年来,国内学者开展了一些研究。吕青、杨涛等[1-2]以某公路路基改扩建工程为研究对象,采用有限元软件对单双侧路基加宽模式下的路基变形进行了分析,其研究结果可为道路改扩建提供参考。徐柿根、刘郑等[3-4]从公路拼宽施工技术出发,对相关技术要点进行细致的说明,并重点对路基拼宽施工工艺、质量控制以及拼接效果等方面进行了分析,研究结果可为公路路基拼宽施工提供一些建议。姚帮先、黎兴铨等[5-6]基于对道路改扩建需求的分析,对高速公路改扩建施工技术进行了系统性分析,并提出了一些思路和见解。王惠勇、卫高明等[7-8]以某公路拓宽为研究对象,采用有限元方法对单双侧路基拓宽不均匀沉降进行了对比分析,并着重分析了路基拉应力变化规律,研究了不同拓宽模式下的路面结构层裂缝产生机理。本文主要以某道路路基改扩建工程为研究对象,分析了单侧和双侧加宽两种改扩建方式下的路基变形特性,并重点对二者加宽方式进行了对比分析,研究结果可为类似工程设计和施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

某公路路基顶部宽度为12 m,单向两车道,设计时速为80 km/h。由于现有通行量已经不能满足经济发展要求,拟对其进行改扩建。如图1所示,给出了双侧加宽和单侧加宽两种方式,双侧加宽方式为两侧分别加宽8 m,单侧加宽方式为只一侧加宽16 m,路基边坡坡率均仍按照原始坡率1∶1.5设计、路基高度为8 m。地表从上至下依次为粉质黏土层和黏土层,厚度依次为15 m和20 m,施工时采用分层铺填碾压的方法以确保工程质量。

(a)双侧加宽

2 数值建模

2.1 模型的建立

如下页图2所示,采用有限元软件ANAYS建立了数值模型,包括双侧加宽和单侧加宽两种方式。加宽后的路基的顶部宽度取值为28.0 m,路基填土高度为8.0 m,施工时采用分层铺填碾压的方法。路堤坡底宽度为52 m,模型整体宽度为60 m,模型长度取20 m,高度取43 m。原始地表从上至下依次为粉质黏土层和黏土层,厚度依次为15 m和20 m。建模采用实体单位模拟。模型除上边界外,其他边界均进行位移约束。模型均采用摩尔-库仑本构模型。

(a)双侧加宽

2.2 参数赋值

如表1所示,为新老路基、黏土和粉质黏土的土体物理力学参数。

表1 土体的物理力学参数表

3 数值结果分析

3.1 路基加宽后整体变形分析

为了分析两种不同路基加宽方式下的沉降特性,图3给出了路基加宽竖向变形云图。由图3(a)可知,在双侧加宽方式下,两侧新加宽的路基竖向变形明显大于中间的旧路基,并且呈现左右对称的特点,这是由于旧路基经过长时间的压密和沉降已趋于变形稳定状态,最大竖向沉降值约为30.0 mm,最大沉降位置在新路基顶面处,随着路基深度的增大而减小。旧路基的最大沉降值约为新路基的50%,最大沉降位置位于旧路基的中心。由图3(b)可知,对于单侧加宽方式,新加宽一侧的路基竖向变形明显大于旧路基,最大竖向沉降值约为44.1 mm,最大沉降位置发生在新路基顶面,且随着路基深度的增大而减小。

(a)双侧加宽

综上所述,新建路基的沉降要明显大于旧路基,而采用单侧加宽路基方法时的路基竖向变形明显大于双侧加宽方式。施工过程中应严格控制新路基的压实度并注重处理好新老路基连接处,以在一定程度上降低路基差异沉降。

3.2 路基加宽后顶面和底面变形分析

3.2.1 路基顶面变形分析

为了研究单侧加宽和双侧加宽方法对路基顶面变形的影响,如图4所示,给出了不同路基加宽方式下路基顶面水平位移曲线。由图4可知,单侧加宽方式下路基顶面最大水平位移值为9.63 mm,而双侧加宽方式下路基顶面最大水平位移值为3.92 mm。采用双侧加宽方式,路基顶面最大水平位移减小了59.3%,且从整体上来看,采用双侧加宽方式下的路基顶面水平位移波动幅度较小,且基本整体小于采用单侧加宽路基时。综上可知,从减小路基顶面水平位移方面考虑,采用双侧加宽路基方式效果更佳。

图4 不同加宽方式下路基顶面水平位移曲线图

如图5所示,给出了不同路基加宽方式下路基顶面竖向位移曲线。由图5可知,单侧加宽方式下路基顶面最大竖向位移值为44.1 mm,而双侧加宽方式下路基顶面最大竖向位移值为30.0 mm。采用双侧加宽方式下路基顶面最大竖向位移减小了32.0%,且从整体上来看,采用双侧加宽方式下的路基顶面竖向差异沉降较小,在实际工程中更容易控制施工质量。综上可知,从减小路基顶面竖向位移方面考虑,采用双侧加宽路基方式效果更好。

图5 不同加宽方式下路基顶面竖向位移曲线图

3.2.2 路基底面变形分析

为了研究单侧加宽和双侧加宽方法对路基底面变形的影响,如图6所示,给出了不同路基加宽方式下路基底面的水平位移曲线。由图6可知,单侧加宽方式下路基底面的最大水平位移值为2.74 mm,而双侧加宽方式下路基底面最大水平位移值为1.87 mm,采用双侧加宽方式下路基底面最大水平位移减小了31.8%。从整体上来看,采用单侧加宽方式时路基底面水平位移最大差值达1.23 mm,而双侧加宽时最大差值为0.76 mm,双侧加宽方式下的路基底面水平位移波动幅度更小。综上可知,从减小路基底面水平位移方面考虑,采用双侧加宽路基方式效果更佳。

图6 不同加宽方式下路基底面水平位移曲线图

如图7所示,给出了不同路基加宽方式下路基底面竖向位移曲线。由图7可知,单侧加宽方式下路基底面最大竖向位移值为42.2 mm,而双侧加宽方式下路基底面最大竖向位移值为28.3 mm,采用双侧加宽方式下路基底面最大竖向位移减小了32.9%。从整体上来看,采用单侧加宽方式时路基底面竖向位移最大差值达43.4 mm,而双侧加宽时最大差值为13.8 mm。综上可知,从减小路基底面竖向位移方面考虑,采用双侧加宽路基方式效果更好。

图7 不同加宽方式下路基底面竖向位移曲线图

通过上述分析可知,从控制路基变形角度出发,采用双侧加宽路基方式比单侧加宽方式更优越。但是在实际工程中,尤其对于国道、省道改扩建项目,需要从土体资源划批、施工进度和成本等方面进行考虑时,单侧加宽路基方式可能更具有优势。因此,在实际工程中应该综合各方资源,合理考虑路基改扩建方式,并加强施工质量控制,最终达到建设目标。

4 结语

本文主要以某道路路基改扩建工程为研究对象,分析了单侧和双侧加宽两种改扩建方式下的路基变形特性,并重点对两种加宽方式进行了对比分析,得到以下结论:

(1)新建路基的沉降要明显大于旧路基,施工过程中采用严格控制新路基压实度并注重处理好新老路基连接处方法,可以一定程度上降低路基差异变形。

(2)采用双侧加宽方式时,路基顶面和底面最大水平位移较单侧加宽方式分别减小了59.3%和31.8%,且从整体上来看,采用双侧加宽方式下的路基顶面水平位移波动幅度较小。

(3)采用双侧加宽方式时,路基顶面和底面最大竖向位移较单侧加宽方式分别减小了32.0%和32.9%,且从整体上来看,采用双侧加宽方式下的路基顶面竖向差异沉降较小,在实际工程中更容易控制施工质量。

(4)从控制路基变形角度出发,采用双侧加宽路基方式优于单侧加宽方式。但是在实际工程中,从土体资源划批、施工进度和成本等方面考虑时,单侧加宽路基方式可能更具有优势。因此,在实际工程中应综合各方资源,合理考虑路基改扩建方式,加强施工质量控制,以达到建设目标。