王善來

(南通路橋工程有限公司， 江蘇 南通 226008)

0 引言

隨著科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，高速公路已經(jīng)遍布我國各大城市[1]。截止最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我國高速公路通車?yán)锍桃堰_(dá)13.1萬公里，居世界領(lǐng)先地位[2]。高速公路是“十三五”規(guī)劃期間最重要民生項目之一[3]。結(jié)合我國國情，高速公路建設(shè)主要包括兩大途徑[4]：新建高速公路和對既有線改造成高速公路。其中，路基拓寬工程就是利用既有線改建高速公路一個類別[5]。相比新建高速公路路基，新舊路基拓寬工程常面臨以下核心技術(shù)難題[6]：舊路基能否滿足新建路基各項設(shè)計指標(biāo)要求；新舊路基搭接部處治技術(shù)；拓寬一側(cè)路基若遇軟土地基如何處治等。

目前，針對路基工程研究主要途徑包括：傳統(tǒng)經(jīng)典力學(xué)理論分析、數(shù)值模擬、室內(nèi)路基模型試驗和現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)[7]。結(jié)合傳統(tǒng)經(jīng)典力學(xué)理論對路基承載及變形特性分析，往往建立在諸多假設(shè)基礎(chǔ)之上[8]；相比而言，結(jié)合室內(nèi)路基模型研究可靠性更高，但是即便足尺路基模型，也存在地基無限域模擬問題[9]。隨著科技進(jìn)步及計算機(jī)水平提高，借助數(shù)值模型分析路基工作性能成為現(xiàn)實。數(shù)值模擬可以實現(xiàn)多工況分析，借助邊界條件二次開發(fā)可以實現(xiàn)地基無限域模擬，廣泛應(yīng)用于路基工程分析[10]。數(shù)值模型往往考慮材料為均值屬性，無法模擬地基局部土層差異及材料缺陷對計算精度影響，借助現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)對比分析已經(jīng)成為目前最可靠途徑[11]。

劉金龍等[12]基于非線性有限元方法探討了路基拓寬工程的基本特性；蔣鑫等[13]運用非線性有限元法，對新舊路基穩(wěn)定安全性、滑動面形態(tài)、沉降、擋土墻變位等力學(xué)響應(yīng)的影響開展參數(shù)敏感性分析。新舊路基拓寬工程中，工程界最關(guān)注是新舊路基差異沉降，大量工程實踐和經(jīng)驗表明，路基拓寬工程諸多病害均與新舊路基差異沉降密切相關(guān)。齊光遠(yuǎn)等[14]借助數(shù)值模擬分析了高速公路路基拓寬不均勻沉降。以往研究成果為路基拓寬工程研究提供基礎(chǔ)，而目前同時結(jié)合新舊路基搭接部和拓寬一側(cè)路基處治技術(shù)分析控制效果研究較少，且已有工程經(jīng)驗對于搭接部鋪設(shè)高強格柵及拓寬一側(cè)路基地基打樁處治相對較少，相應(yīng)也缺乏相應(yīng)處治效果研究?；诖艘劳薪瓘V高速公路路基拓寬工程實例，首先闡述了新舊路基搭接部采用“臺階+高強格柵”及拓寬一側(cè)路基軟土地基采用“短樁+普通格柵”處治技術(shù)；然后借助數(shù)值模型及測試數(shù)據(jù)，分析了拓寬路基地基與搭接處處治技術(shù)控制效果。研究成果能夠為探索新舊路基拓寬工程處治技術(shù)、承載及變形特性提供理論參考。

1 數(shù)值模擬分析

1.1 工程概況

南通 345國道北段拓寬改造工程，為老路拓寬工程，一級公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計時速100公里/小時。工程部分段落新舊路基搭接處采用“臺階+高強格柵”連接，拓寬一側(cè)路基軟土(粉質(zhì)粘土，天然狀態(tài)承載力110kPa)地基采用“CFG樁+普通格柵”處治。高強玻纖格柵每延米極限抗拉強度＞300kN，普通土工格柵每延米極限抗拉強度80kN。CFG樁徑1m，樁間距2m，樁長6m，采用正方形布置。新舊路基拓寬連接部及地基處治方案詳圖1所示。

1.2 數(shù)值模型

借助ABAQUS軟件建立數(shù)值模型，建立路基拓寬搭接數(shù)值模型，對路基填筑過程路基搭接處及拓寬一側(cè)地基處治效果進(jìn)行分析。為提高模型計算精度及節(jié)約計算資源，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格及四節(jié)點實體應(yīng)變縮減積分單元。模型限制地基兩側(cè)法向位移，底部采用固定約束。

數(shù)值模型建立在以下假設(shè)基礎(chǔ)上：認(rèn)為同一種材料各向均值；僅考慮重力場作用，忽略地層構(gòu)造應(yīng)力影響；忽略路基填筑引起地層孔隙水壓力的變化，采用水土合算簡化處理。

圖1 路基拓寬連接及地基處治方案

為避免地基邊界對計算精度影響，數(shù)值模型地基寬和高分別取100m和40m，其它尺寸詳圖1所示。建立后數(shù)值模型詳圖2所示，計算所需參數(shù)詳表1所示。

圖2 數(shù)值模型

表1 計算參考數(shù)據(jù)

1.3 計算結(jié)果及分析

圖3為路基填筑過程中新舊路基沉降隨時間變化曲線。

圖3 地基沉降隨時間變化曲線

由圖 3可知：隨路基填筑荷載逐漸增加，新舊路基沉降逐漸變大；在填筑前期，地基沉降隨時間變化速率達(dá)到 2.1mm/天，主要考慮填筑荷載附件應(yīng)力對地基固結(jié)速率影響；填筑后期考慮地基固結(jié)基本完成，沉降隨時間發(fā)展逐漸趨于緩慢；最終穩(wěn)定時，拓寬一側(cè)新路基地基沉降 38.30mm，舊路基地基沉降 34.92mm，新舊路基差異沉降約為3.38mm。

綜上可知，新舊路基沉降在路基填筑期基本完成，差異沉降3.38mm，整體較小，說明新舊路基搭接部及拓寬一側(cè)地基處治效果較好。考慮到數(shù)值模型建立在諸多假設(shè)基礎(chǔ)之上，仍需結(jié)合現(xiàn)場測試地基沉降數(shù)據(jù)進(jìn)一步綜合評估采空區(qū)注漿處治效果。

2 現(xiàn)場測試分析

結(jié)合現(xiàn)場埋設(shè)沉降板，測試新舊路基地基沉降隨時間變化曲線詳圖4所示。

圖4 新舊路基差異沉降測試與計算對比曲線

由圖 4可知：現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬新舊路基差異沉降變化趨勢基本吻合，現(xiàn)場測試曲線平穩(wěn)性高于數(shù)值模擬；現(xiàn)場測試新舊路基差異沉降約為 2.8mm，略小于數(shù)值計算值3.38mm，說明數(shù)值模型計算結(jié)果相對保守，偏安全。

3 結(jié)論

依托工程實例，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試相結(jié)合方法，對路基拓寬工程搭接部采用“臺階+高強格柵”及拓寬地基采用“樁+普通格柵”處治控制效果近似分析，主要結(jié)論如下：

(1)數(shù)值模型計算新舊路基地基沉降隨時間變化呈快速、緩慢和穩(wěn)定 3階段特征；填筑前期地基沉降發(fā)展最快，速率達(dá)到 2.1mm/天；填筑后期地基沉降趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定時新舊路基差異沉降3.38mm，控制在5mm以內(nèi)。

(2)數(shù)值計算與現(xiàn)場測試新舊路基差異沉降規(guī)律基本吻合，驗證了數(shù)值模型合理性；計算路基差異沉降3.38mm，大于測試值2.8，后者約為前者82.84%，說明計算結(jié)果相對偏保守。

(3)現(xiàn)場測試和數(shù)值計算結(jié)果均表明新舊路基差異沉降較小，說明路基拓寬工程搭接部采用“臺階+高強格柵”及拓寬地基采用“樁+普通格柵”處治控制效果較好，可將該方法推廣到類似路基拓寬工程中。

[1]陳世朝，李遠(yuǎn)明. 高速公路路基施工工藝的實例探究[J]. 交通世界，2017，(31):56-57.

[2]胡小波，章志軍. 高速公路填土路基和填石路基施工技術(shù)[J]. 交通世界，2017，(30):34-35.

[3]程凱，顧忠林. 梧柳高速公路路基邊坡穩(wěn)定性分析[J]. 公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版),2017,(11):34-35.

[4]丁軍，俞俊平，王吉慶. 多角度監(jiān)控技術(shù)構(gòu)建高速公路智慧監(jiān)控系統(tǒng)[J]. 公路交通科技(應(yīng)用技術(shù)版)，2017，(11):277-279.

[5]王寧. 高速公路路基施工中沖擊碾壓技術(shù)的運用[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計，2017，(21):188-190.

[6]任強，曾武亮，高俊啟.高陡拓寬路基縱向開裂監(jiān)測研究[J].公路，2017，62(10):61-65.

[7]嚴(yán)瓊，喬可帥，陳釩，等.基于連續(xù)-離散耦合的公路拓寬路基變形及換填處治宏細(xì)觀分析[J].公路交通科技，2017，34(10):26-33.

[8]馬珩.高速公路路基拓寬過程中的軟土地基處理分析[J].工程建設(shè)與設(shè)計，2017(17):75-77.

[9]林榮華.舊路拓寬改建工程中路基沉降控制策略[J].住宅與房地產(chǎn)，2017(23):187.

[10]陶輝.高等級公路拓寬路基的沉降特性及地基處理方法[J].華東公路，2017(02):42-44.

[11]滕世權(quán)，楊濤，張文彥.老路邊坡樁對拓寬路堤沉降控制影響的數(shù)值模擬[J].水利與建筑工程學(xué)報，2017，15(02):76-80+175.

[12]劉金龍，張勇，陳陸望，等.路基拓寬工程的基本特性分析[J].巖土力學(xué)，2010，31(07):2159-2163.

[13]蔣鑫，耿建宇，曾誠，等.山區(qū)公路拓寬路基與衡重式擋土墻動態(tài)相互作用的數(shù)值模擬[J].巖土力學(xué)，2014，35(S1):443-450.

[14]齊光遠(yuǎn). 高速公路路基拓寬不均勻沉降數(shù)值分析[D].長安大學(xué)，2014.