高速公路路基拓宽不均匀沉降数值分析.pdf
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1、交通世界TRANSPOWORLD1 高速公路扩宽路基不均匀沉降机理分析1.1 新老路基沉降组成1)老路基沉降高速公路经过长期运营,老路基及其地基固结沉降可视为已完成。如只考虑路基填土重力作用,沉降变形不会增加,此时的沉降为老路基第1次沉降1。如果在老路基的单侧或双侧拼接新路基,新路基填土会在老路基部分产生附加应力,使其继续压缩,此沉降为老路基的第2次沉降。加宽后的路基在运营阶段受车辆荷载,老路基会继续沉降,此沉降为老路基的第3次沉降2。2)新路基沉降在填土重力和施工机械作用下,拼接路基会产生瞬时沉降和主固结沉降,即新路基的第1次沉降。同老路基相同,在运营阶段新路基发生固结沉降,直到变形不再继续
2、,此时沉降为新路基的第2次沉降。1.2 新老路基不均匀沉降原因高速公路路基拼宽后可能出现路面开裂、新路基沿老路基下滑等病害,且各病害并不是独立存在,但病害基本与新旧路基的差异沉降密切相关。1)变形不协调新旧路基变形不协调的原因主要有两方面,如图1所示3:一方面,旧路基底部地基固结基本完成,压缩模量大,抗变形能力强,而新路基底部地基尚未开始固结,压缩模量小。在相同附加应力作用下,新路基底部地基沉降更大;另一方面,拼宽路基的填料类型、级配组合、压实度等可能与旧路基不同,在车辆荷载作用下也会发生不协调变形。2)结合部处治不当高速公路新老路基结合处施工工艺复杂,施工难度大,容易出现质量缺陷,比如在陡坡
3、路段,路基结合部台阶回填压实度不足,新路基容易沿老路基下滑,对地基产生刺入式破坏;再比如路基结合部填土质量不合格,含有植物根茎、建筑垃圾等,使得路基土松软,在运营期间出现沉陷病害。2 高速公路路基扩宽不均匀沉降计算模型相对于“分层总和法”,数值模拟用于路基沉降计算时具有成本低、可重复性好等优点,能在有限时间和空间内计算多个工况下的路基沉降4。因此,本文依托某高速公路改扩建工程,利用有限元软件 ANSYS15.0计算扩宽路基的不均匀沉降,计算时假定:老路基沉降完成,新路基作为附加荷载施加到老路基上,利用ANSYS软件中的“生死单元”来实现;路堤足够长,将该三维空间问题转化为二维平面问题;将路面重
4、量及车辆车载等效为土柱。2.1 工程概况该高速公路长36.6 km,总体为东西走向,位于丘陵和平原接地带,大部分地形平坦,局部地形较陡。路线起讫桩号为 K0+000K36+600,设计速度为 100km/h,设计荷载为公路-I级,主线为双向4车道,路基横断面宽度26 m,横断面组合为:土路肩0.75 m+硬路肩 2.5 m+行车道 23.75 m+中间带 4.5 m+行车道 23.75m+硬路肩2.5 m+土路肩0.75 m,路面类型为沥青路面,厚70 cm。近年来,由于当地经济发展迅速,交通量快速增长,尤其是重载和超载车辆增加,高速公路服务水平无法满足交通需要,需进行加宽处理,加宽方案为四改
5、六,加宽方式为双侧拼宽,即左右侧分别增加1条宽3.75 m的车道。收稿日期:2023-02-11作者简介:陈银(1988),女,河北沧州人,工程师,从事道桥设计及造价编制工作。高速公路路基拓宽不均匀沉降数值分析陈银(河北双盛交通勘察设计有限公司,河北 沧州 061000)摘要:为保证公路改扩建项目设计水平,依托某高速公路项目,分析了扩宽路基不均匀沉降产生的原因。同时,利用有限元软件ANSYS建立二维平面模型,探讨了拓宽路基路表各点的不均匀沉降,并提出了灰土挤密桩复合地基、铺土工格栅、分层补夯等方案来改善新旧路基不均匀沉降,研究成果可为类似的高速公路改扩建项目设计提供理论指导。关键词:高速公路拼
6、宽;不均匀沉降;数值模拟;控制技术中图分类号:U416文献标识码:B图1 拼宽地基不协调变形示意61总657期2023年第27期(9月 下)2.2 计算参数据地质勘察资料及室内土工试验结果可知,地基土从上到下分别为硬壳层、淤泥质黏土、亚黏土。新旧路基填料为性能良好的砂砾土,但由于填筑时间不同,计算参数有所差异。不同岩土体的主要物理力学参数见表1:表1 路基及地基土计算参数土层类型新路基老路基硬壳层淤泥质黏土亚黏土重度/(kN/m3)20.020.019.018.518.8黏聚力/kPa35221820内摩擦角/3035241920泊松比0.300.350.300.250.252.3 气象气候项
7、目处于温带季风性气候,四季气温变化大,冬季低温少雨,夏季高温多雨,年降雨量较大,多年平均降雨量可达887 mm,降雨类型以中大雨为主,降雨时间主要集中在69月份。2.4 岩土屈服准则土体是由土颗粒、水、空气组成的三相物质,抗压强度大,基本不抗拉,同时在附加荷载作用下,土体空隙不断压缩,体积发生变化,故选择 DruckerPrager本构模型来计算拓宽路基的不均匀沉降5。DP屈服准则表达式见(1)(3):F=I-J+K=0(1)I=1+2+3(2)J=16(1-2)2+(1-3)2+(2-3)2(3)式(1)(3)中:、K均为土体计算参数,无量纲;1为最大主应力,kPa;2为中间主应力,kPa;
8、3为最小主应力,kPa。2.5 模型建立网格划分:利用ANSYS软件中内置的solid实体单元模拟新旧路基填土和地基土,采用六面体单元划分,拼宽路基网格适当加密,网格尺寸取0.5 m,其他部位网格尺寸取1 m,最终划分出2 156个单元,2 878个节点。边界条件:路基底部进行完全约束,不发生任何方向的位移。路基顶面和边坡坡面为自由边界,在X/Y/Z方向均可产生变形。模型加载:为准确模拟拼宽路基施工过程,对路基分级加载,每层填筑高度设置为1.0 m,施工有效时间和加载结束后的施工间歇时间设置为1个月。3 高速公路路基拓宽不均匀沉降计算结果3.1 扩宽路基应力分布以填土高度=6 m为例,取半幅路
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