陳 龍

(新疆交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 烏魯木齊市 830000)

在公路改擴(kuò)建工程中，新、舊路基的差異沉降問題基本無法避免，沉降差異過大不僅會降低公路質(zhì)量，更會給行車安全帶來風(fēng)險(xiǎn)[1]。因此，如何有效降低拓寬路基中新舊路基差異沉降已成為當(dāng)下學(xué)者研究的熱門課題[2-3]。

土工格柵因具有強(qiáng)度大、蠕變小及適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，已在路基加固工程中取得了良好效果，但關(guān)于土工格柵加固軟土路基參數(shù)優(yōu)化的研究還有待進(jìn)一步提升。基于此，以某軟土路基拓寬工程為例，通過建立拓寬路基有限元分析模型，針對不同土工格柵鋪設(shè)層數(shù)對新舊路基變形、受力及穩(wěn)定性影響規(guī)律進(jìn)行對比分析，最終確定了土工格柵較為合理的鋪設(shè)層數(shù)。

1 工程概況

某公路拓寬改造工程原設(shè)計(jì)公路等級為Ⅰ級，設(shè)計(jì)速度為60km/h，車道設(shè)計(jì)為雙向2車道，路基寬度為10.5m，高度為6m，邊坡比為1∶1.5，地基土層主要包括6m厚軟黏土層和2m厚下伏基巖。根據(jù)原路基勘測結(jié)果顯示，軟土路基由于長期受重載、超載作用的影響，已無法滿足公路運(yùn)營要求。為恢復(fù)該公路的正常運(yùn)營，同時解決交通流量過大、擁堵等問題，計(jì)劃采用單側(cè)加寬方式對原道路進(jìn)行擴(kuò)建，路基寬度拓寬至18.5m，高度增至7m，車道增至雙向4車道，設(shè)計(jì)速度增至70km/h，其他設(shè)計(jì)參數(shù)保持不變。路基開挖選擇公路右側(cè)，每級臺階開挖高1.2m，寬1.5m，臺階共設(shè)4級，路基回填土和拓寬填土均采用黏性土，拓寬路基加固采用鋪設(shè)土工格柵方式，每級臺階鋪設(shè)一層土工格柵，共計(jì)鋪設(shè)5層。拓寬路基截面示意如圖1所示。

圖1 拓寬路基截面示意圖

2 模型建立

運(yùn)用有限元軟件MIDAS/CIVIL建立土工格柵加固拓寬路基數(shù)值模型，模型中采用摩爾-庫倫彈塑性本構(gòu)模型模擬巖土材料，采用一維線性單元模擬土工格柵材料，計(jì)算高度取20m，寬度取40m，模型中共包含427個單元和512個節(jié)點(diǎn)，其有限元模型如圖2所示。

圖2 拓寬路基有限元模型

計(jì)算過程中將地基和路基作為平面問題考慮，且兩者視為完全連續(xù)體，假定路基和地基的沉降完成，土體材料均視為彈塑性體，加筋材料視為各向同性的線彈性體，巖土材料遵循摩爾-庫倫屈服準(zhǔn)則，路面結(jié)構(gòu)采用1m厚的路基填土替代。邊界條件：模型上部設(shè)為自由界面，對地基底部各向位移進(jìn)行固結(jié)約束，對模型兩側(cè)進(jìn)行水平向和豎向位移約束。計(jì)算模型中主要包含老路基填土、新路基填土、軟土層和下伏基巖4類土體，加筋材料為土工格柵，其具體計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 土體及加筋材料計(jì)算參數(shù)

為優(yōu)化土工格柵加固拓寬路基的加筋層數(shù)，分別設(shè)計(jì)6種土工格柵鋪設(shè)工況進(jìn)行變形及受力對比分析，工況1：未鋪設(shè)土工格柵加固；工況2：第3次路基填筑時鋪設(shè)1層土工格柵；工況3：分別在第2、第4次路基填筑時鋪設(shè)1層土工格柵，共計(jì)2層；工況4：分別在第1、第3及第5次路基填筑時鋪設(shè)1層土工格柵，共計(jì)3層；工況5：分別在第1、第2、第3、第4次路基填筑時鋪設(shè)1層土工格柵，共計(jì)4層；工況6：在每層路基填筑時鋪設(shè)1層土工格柵，共計(jì)5層。

3 結(jié)果與分析

3.1 位移分析

針對土工格柵加筋層數(shù)分別為0層、1層、2層、3層、4層及5層的拓寬路基頂面水平位移進(jìn)行計(jì)算，得到不同加筋層數(shù)的新、舊路基最大水平位移變化曲線如圖3所示。

圖3 新舊路基最大水平位移變化曲線

根據(jù)圖3可知，在不同加筋條件下，新路基的最大水平位移較大，老路基的最大水平位移較小。加筋后新舊路基的最大水平位移均有所減小，說明鋪設(shè)土工格柵可有效降低拓寬路基的水平位移。隨著加筋層數(shù)的增加，新舊路基的最大水平位移均不斷減小，說明土工格柵鋪設(shè)層數(shù)越多，加筋效果越好。加筋層數(shù)由1層增至3層時，新舊路基的最大水平位移增幅較為明顯，加筋層數(shù)由3層增至5層時，新舊路基的最大水平位移增幅相對較小，說明對于控制拓寬路基水平變形而言，土工格柵鋪設(shè)層數(shù)設(shè)計(jì)為3層的加筋效果較好。

3.2 沉降分析

針對土工格柵加筋層數(shù)分別為0層、1層、2層、3層、4層及5層的拓寬路基頂面豎向沉降進(jìn)行計(jì)算，得到不同加筋層數(shù)的新、舊路基最大沉降變化曲線如圖4所示。

圖4 新舊路基最大沉降變化曲線

根據(jù)圖4可知，在不同加筋條件下，新路基的最大沉降值要大于老路基的最大沉降值。加筋后新舊路基的最大豎向沉降均有所減小，說明鋪設(shè)土工格柵可有效降低拓寬路基的豎向沉降值。隨著加筋層數(shù)的增加，新舊路基的最大豎向沉降值均不斷減小，說明土工格柵鋪設(shè)層數(shù)越多，加筋效果越好。加筋層數(shù)由1層增至3層時，新舊路基的最大豎向沉降減幅較為明顯，而加筋層數(shù)由3層增至5層時，新舊路基的最大豎向沉降減幅相對較小，說明對于控制拓寬路基工后沉降而言，土工格柵鋪設(shè)層數(shù)設(shè)計(jì)為3層的加筋效果較好。

3.3 應(yīng)力分析

針對土工格柵加筋層數(shù)分別為0層、1層、2層、3層、4層及5層的拓寬路基頂面應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，得到不同加筋層數(shù)的新、舊路基最大水平和豎向應(yīng)力變化曲線分別如圖5、圖6所示。

圖5 新舊路基最大水平應(yīng)力變化曲線

圖6 新舊路基最大豎向應(yīng)力變化曲線

根據(jù)圖5可知，在不同加筋條件下，新路基的最大水平應(yīng)力要大于老路基的最大水平應(yīng)力。加筋后新舊路基的最大水平應(yīng)力均有所減小，說明鋪設(shè)土工格柵可有效降低拓寬路基的水平應(yīng)力值。隨著加筋層數(shù)的增加，新舊路基的最大水平應(yīng)力值均不斷減小，說明土工格柵鋪設(shè)層數(shù)越多，加筋效果越好。加筋層數(shù)由1層增至3層時，新舊路基的最大水平應(yīng)力減小幅度較大，而加筋層數(shù)由3層增至5層時，新舊路基的最大水平應(yīng)力減幅相對較小，說明土工格柵鋪設(shè)層數(shù)設(shè)計(jì)超過3層后，對于控制拓寬路基水平應(yīng)力的增幅效果不大。

根據(jù)圖6可知，在不同加筋條件下，新路基的最大豎向應(yīng)力要大于老路基的最大豎向應(yīng)力。加筋后新舊路基的最大豎向應(yīng)力均有所減小，說明鋪設(shè)土工格柵可有效降低拓寬路基的豎向應(yīng)力值。隨著加筋層數(shù)的增加，新舊路基的最大豎向應(yīng)力值均不斷減小，說明土工格柵鋪設(shè)層數(shù)越多，加筋效果越好。加筋層數(shù)由1層增至3層時，新舊路基的最大豎向應(yīng)力減小幅度較大，而加筋層數(shù)由3層增至5層時，新舊路基的最大豎向應(yīng)力減幅相對較小，說明土工格柵鋪設(shè)層數(shù)設(shè)計(jì)超過3層后，對于控制拓寬路基豎向應(yīng)力的增幅效果不大。

3.4 穩(wěn)定性分析

針對土工格柵加筋層數(shù)分別為0層、1層、2層、3層、4層及5層的拓寬路基頂面穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到不同加筋層數(shù)的路基穩(wěn)定系數(shù)變化曲線如圖7所示。

圖7 拓寬路基穩(wěn)定系數(shù)變化曲線

根據(jù)圖7可知，拓寬路基的穩(wěn)定系數(shù)隨著加筋層數(shù)的增加而不斷增大，說明鋪設(shè)土工格柵可有效提升拓寬路基的安全穩(wěn)定性。當(dāng)加筋層數(shù)由1層增至3層時，拓寬路基的穩(wěn)定系數(shù)增大幅度相對較大，而加筋層數(shù)由3層增至5層時，新舊路基的穩(wěn)定系數(shù)增大幅度相對較小，說明土工格柵鋪設(shè)層數(shù)設(shè)計(jì)超過3層后，對于提升拓寬路基的安全穩(wěn)定性效果不大。

4 結(jié)論

(1)增加土工格柵鋪設(shè)層數(shù)，新舊路基的最大水平位移值不斷減小，加筋層數(shù)小于3層的拓寬路基水平位移值減幅較大，超過3層的拓寬路基水平位移減幅較小。

(2)隨著土工格柵鋪設(shè)層數(shù)增加，新舊路基的最大沉降值不斷減小，加筋層數(shù)小于3層的拓寬路基沉降值減幅較大，超過3層的拓寬路基沉降值減幅較小。

(3)新舊路基的最大應(yīng)力值會隨著土工格柵鋪設(shè)層數(shù)增加而減小，加筋層數(shù)小于3層的拓寬路基應(yīng)力值減幅較大，超過3層的拓寬路基應(yīng)力值減幅較小。

(4)增加土工格柵鋪設(shè)層數(shù)，拓寬路基的穩(wěn)定系數(shù)不斷增大，且加筋層數(shù)越多，拓寬路基的安全穩(wěn)定性越高，其中加筋層數(shù)設(shè)計(jì)為3層相對合理。