高速公路改扩建工程中路基防护优化设计研究

姚锐

（新疆交通职业技术学院，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

过去十几年，我国公路改扩建工程虽取得了长足进步，但以乡村公路为例，其多是三四级公路，回填度不高，路侧保护措施匮乏，道路景观环境相对较差，且在道路运行过程中，会受到气候变化与降雨渗透等因素的影响。尽管乡村公路经过多年运行，路面已基本稳定，由于路中间隔层宽度大，同时叠加长期降雨和冻融作用，使得道路边坡填料的水分含量和力学性能都出现了很大分散。因此，防护路基势在必行。相关文献[1]提出基于“北斗RTK”定位技术的路基防护方法，该方法利用“北斗RTK”定位技术，保护长螺杆式泵压成桩技术，并对其垂直度、钻进速度、钻深、桩灌浆等监测，以实现保护地基。使用该方法能够高效防护路基，但是过于依赖“北斗RTK”定位技术，无法在动态扩建环境中达到精准定位塌陷路基的效果，也无法有效防护所有路基。相关文献[2]提出了玄武岩石粉和纤维改性的防护方法，将玄武岩粉末与玻璃纤维分别按照0.2%、0.4%、0.6%比例配比，并对比研究了两种物质的加固机制与其自身的物理性质，使得加固后的土壤具有更为稳定的内在构造，具有更好的保护作用，但使用该方法需要控制含水率，一旦控制效果不佳，会影响试样配比，容易出现路基防护效果不佳的问题。为此，本文通过开展高速公路改扩建工程路基防护研究，探究路基防护的适用性，并采用FLAC-3D方法对防护方案开展优化设计。

1 基于有限元计算模型的改扩建路基力学响应分析

通过对路基开展最优设计，利用ANSYS软件建立拓宽基础的有限元模型，分析其竖向应力和剪应力的力学反应，进而揭示其影响机制。

1.1 ANSYS有限元模型建立

构建ANSYS有限元计算模型时，应先设定假定条件：采取双向加宽的方式，拓宽路段围绕旧路中线点，对称布置在旧路两侧[3]。将路基土视为具有均匀分布特征的完美弹塑性介质，在旧路与拓宽路段组合新路基时，不会出现较大的相对剥离或滑动现象。在不同构造层次上，结构层交界面处理良好，且接触完整，不会受到气温变化的干扰[4]。

为确保精确性，须选取有限尺寸结构。构造尺度：边坡比例为1∶1.5；地基基础高度28m；两边对称拓宽，在新旧地基结合的位置，通过阶梯咬合法搭接，使阶梯宽度为0.8m，高度为0.4m。在建模与分割过程中，采用SOLID-45板、8个空间节点等参量元素建模与分割，得到计算模型网格，如图1所示。

图1 ANSYS有限元计算模型

在有限元计算模型中，按照不同的道路表面网格，对相应节点施加不同载荷，从而实现对道路上各节点的仿真。以单个车轮l00kN为基准载荷，以一个双重的四边形来替代两个车轮载荷。

1.2 不同填筑高度下路基力学响应分析

在改扩建工程中，因地势起伏原因，道路各段均有较大坡度和坡度差异，地基应力状态也会存在差异[5]。为了确定路基在高速公路改扩建施工中的合适填筑高度，在2m、4m、6m、8m、10m、12m和14m路基填筑高度下，分别分析拓宽路基建设结束时的力学响应。对于竖向应力和剪应力计算公式，可表示为：

表1 不同填筑高度下竖向应力和剪应力

当新旧路基采用台阶搭接形式结合后，路基中的应力分布会发生改变，竖向应力及剪应力逐渐增大，对路基的影响区域也会逐渐增大，但幅度则越来越小，而新旧路基交界部及下部基础上的最大竖向应力和剪应力均不变[6]。由于路基加宽作用更加明显，在路基防护优化过程中应对拓宽宽度详细处理。

2 基于FLAC-3D的路基防护优化设计

根据改扩建路基力学响应分析结果，采用土工格栅技术，调整弹性模量，进而确定土工格栅最佳弹性模量，并结合FLAC-3D软件优化防护塑钢板桩路基。

2.1 土工格栅路基加筋防护处理

为应对高速公路拓宽工程中出现不均匀沉陷问题，本文提出一种新型土工格栅加筋技术。将网格布置在受拉的土体中，使土体受到很大拉力，在载荷作用下，帮助加筋网片与土体间的摩擦力对土体横向位移起到制约作用[7-8]。加筋网片与土壤之间的高黏结力能使其张拉承载力和剪切承载力都得到很大改善[9]。此外，新型土工格栅加筋技术还对路堤断面及新旧路基交界处的变形状态改进效果较好，防止了纵、横向裂缝的产生，如图2所示。

图2 土工格栅路基加筋示意图

利用调整土工格栅的弹性模量来调整路基表面沉降量及横坡比。在选择土工格栅时，弹性模量作为一个主要度量指标，需要对其着重考量[10]。选择2m的路堤高度，在底部和顶部开展不同程度的布置，调节土工格栅的弹性模量，分析土工格栅路基的加筋效果[11]。

弹性模量计算公式可表示为:

式中，r表示弹性力;φ表示应变程度。

将外部的动作加到弹性体.上，使弹性体产生变化[12]。在不同弹性模量下分析横坡比与沉降量关系，如表2所示

新路基横坡较大，不仅会引起道路开裂，还会对车辆行驶造成不利影响。为此，需要对新路基及路面加固，降低路基横坡比，确保车辆行驶安全。通过表2结果可知，随着土工格栅弹性模量弹性模数从0.1GPa提高至1GPa，路基最大沉降值将从25cm降至16cm；横坡比由7%降低到4%，说明当土工格栅弹性模量提高时，新路基各项参数都会显著提高。而当弹性模量持续提高时，虽然参数均会有所提高，但并未达到很好效果，因此，从技术和经济观点来看，应该选择1GPa作为土工格栅最佳弹性模量[13]。

2.2 基于FLAC-3D的塑钢板桩路基防护优化设计

根据路基填筑高度的不同，利用FLAC-3D软件对各类型塑钢板桩建模，塑钢板桩与桩周土采取面接触方式[14]，和路基土体使用实体元素模拟。为了简化模型，在道路的宽度范围之内（0m至5m)，对路基施加35kPa垂直均布载荷。对于塑钢板桩路基防护优化设计构建的FLAC-3D塑钢板桩模型，如图3所示。

图3 FLAC-3D塑钢板桩模型

对于悬臂式塑钢板桩，为了克服边界影响，设定模型总长度为10m，高度为5m，按照对称性原则，将塑料板桩围岩的保护范围设在模型中间位置[15]。

对于拖板式塑钢板桩，为了克服边界影响，将塑料板桩围岩的保护范围设在模型中间位置，设定其与管道桩的间隔为1.3m（每两个塑钢板桩安装1根拉筋），并在距离牵引盘0.3m处安装一根方形镀锌管。

对于拉锚式塑钢板桩，为了克服边界影响，将塑料板桩围岩的保护范围设在模型中间位置，设定其与管道桩的间隔为1.3m（每两个塑钢板桩安装1根拉筋），并在距离牵引盘0.3m处安装一根方形镀锌管。塑钢板桩施工流程，如图4所示。

图4 塑钢板桩施工流程

通过上述3种塑钢板桩防护形式，可实现对塑钢板桩路基防护优化。

3 实例分析

3.1 工程概况

项目选定为京哈高速某河段改扩建工程，编号#5施工区域起始桩为k107至k108，总长度为15km。原公路路基宽度为30m，改扩建后的道路宽度为45m。这一部分采用两边对称的扩展模式，确保每个侧面的扩展宽度都为8m，如图5所示。

图5 路基路面示意图

由图5可知，改扩建难点是在路基拼接过程中要对新、旧路基开展不同程度的沉降控制。该项目采取了两端对称连接和拓宽的方法，使资源收益达到最大化，且施工期间不会对道路通行产生任何影响。

3.2 沉降观测现场布置

对于拼接的新路基，需要在坡脚处设置沉降边桩，用于观测沉降量，如图6所示。

图6 沉降观测现场布置

拓宽段路基采用台背范法开展施工后沉降处理，围度不大于4cm，构造部分不大于8cm，其他部分不超过12cm。监控新旧路基间的不同沉降量，直到路堤稳定为止。对于拼接的宽边路基，其侧向坡度变动不大于0.4%，并与之相邻。断面不一致沉陷引起的纵坡偏差应小于0.25%。为了避免宽边路基在快速回填时造成路基失稳，在施工过程中，要强化对拼宽路基的监测和测量。确保直线沉降率不超过12mm/d，边坡脚面水平位移不大于4mm/d。

3.3 沉降量监测

对于路基沉降监测，分别使用基于“北斗RTK”定位技术的路基防护方法、玄武岩石粉和纤维改性防护方法和基于FLAC-3D的路基防护优化方法，对比结果如图7所示。

图7 不同方法路基沉降监测

由图7可知，使用基于“北斗RTK定”位技术的路基防护方法后，路基会发生塌陷，但沉降量较小；使用玄武岩石粉和纤维改性的防护方法，路基也会出现塌陷，沉降量较大；使用基于FLAC-3D的路基防护优化方法，路基会出现裂纹，但基本沉降量特别小。

为进一步验证研究方法的有效性，对比分析三种方法下的路基沉降量，对比结果如表3所示。

表3 不同方法沉降量对比分析/mm

由表3可知，使用玄武岩石粉和纤维改性的防护方法沉降量最大，其次是基于“北斗RTK”定位技术的路基防护方法，沉降量最小的是基于FLAC-3D的路基防护优化方法。

4 结束语

通过对高速公路改扩建工程中的路基防护优化设计方法的研究，得到如下结论：路基竖向应力和剪应力均随土体的填高而增大，并呈稳定变化趋势，表明路基控制沉陷作用越来越大；土工格栅技术对新旧路基总沉降量减少效果显著，加劲效果明显，当弹性模量为1GPa时，加劲效果达到最佳且不再明显变化；通过对塑钢板桩路基防护优化，可使路基结构处于稳定状态。