顧 亮 董偉智 孫 強(qiáng)

(1:吉林建筑大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，長春 130118; 2:長春市城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，長春 130000)

0 引言

為克服高路堤的缺點(diǎn)，低路堤的廣泛運(yùn)用隨之出現(xiàn).研究顯示，路基高度每降低0.5m，每公里可以減少用土1.8萬m3；每降低1m，每公里永久性占地就能減少近5畝[1].因此,從節(jié)約成本、減少污染、盡量控制工后沉降的角度出發(fā),如何優(yōu)化高速公路的路基整體設(shè)計(jì)以及尋找一個合理的路基臨界高度,已經(jīng)引起普遍關(guān)注.

1 研究現(xiàn)狀

我國目前的高速公路高路堤居多而低路堤較少.作者認(rèn)為相比于高路堤而言，低路堤具有先天的優(yōu)越性.研究結(jié)果表明，低路堤的優(yōu)點(diǎn)包括：① 可減少占用土地，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，降低路基占地和取土用地；② 更適應(yīng)原有的自然地形和人文環(huán)境；③ 工后沉降小，道路病害少；④ 利于高速公路今后的拓寬改造[2]；⑤ 施工較為方便，質(zhì)量易于控制[3].因此，低路堤的研究與發(fā)展是有必要性的.

2 長春至農(nóng)安輔道概況

本文依托琿烏高速長春至農(nóng)安輔道開展研究，該工程始建于2008年末,于2011年4月交工，全長64公里，該輔道處于平原地區(qū)，結(jié)構(gòu)物較少.所采用的路基填土類別:低液限粉質(zhì)黏土，塑限:9.8，塑性指數(shù)10.5，最佳含水率為10.5%.

3 耦合模型研究

基本假設(shè):① 路堤土體為均質(zhì);② 土體為線彈性體,產(chǎn)生微小變形,土顆粒不可壓縮;③ 行車荷載使路基產(chǎn)生變形.

現(xiàn)場調(diào)查分析表明，路基中濕度及荷載的耦合效應(yīng)客觀存在，其耦合效應(yīng)將直接影響季節(jié)活動層內(nèi)的動態(tài)變化、路基的應(yīng)力場和變形場的分布特性及路基穩(wěn)定性.

3.1 應(yīng)力場的基本方程

根據(jù)彈性力學(xué)知識路基土體應(yīng)滿足平衡微分方程,物理方程,幾何方程,非飽和土應(yīng)力場本構(gòu)方程為:

式中,ε為法向應(yīng)變;γ為剪應(yīng)變;σ為法向應(yīng)力;τ為剪切應(yīng)力;ua為空隙氣壓力;uw為孔隙水壓力;E為土的彈性模量;v為泊松比.

圖1 網(wǎng)格劃分

3.2 水分場的基本方程

根據(jù)介質(zhì)力學(xué)的知識,得到土中水分運(yùn)動的連續(xù)方程:

式中,θu為土體中未凍水的體積含量;D,k分別為土的擴(kuò)散系數(shù)和導(dǎo)水系數(shù).

3.3 耦合模型建立

本文應(yīng)用Geosudio軟件中自帶的水分場與應(yīng)力場耦合方程，其中計(jì)算參數(shù)如下：導(dǎo)水率為3×10-13θ9.0034cm/s；擴(kuò)散率3×10-4θ3.0513cm/s;泊松比0.35；含水率10.5%.

在路基填筑完成后施加行車荷載,行車荷載采用標(biāo)準(zhǔn)軸載胎壓0.707MPa.本模型以長春到農(nóng)安為基礎(chǔ),通過大量室內(nèi)試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬.路堤填筑高度為1.5m,計(jì)算深度為6m,路基頂面寬度9m,坡度比為1∶1.5.耦合模型如圖1所示.

3.4 耦合模型的數(shù)據(jù)分析

路基土水分的產(chǎn)生分為封閉式補(bǔ)給形勢與開放式補(bǔ)給形勢,所謂封閉式補(bǔ)給是指水分來自土體自身,而開放式補(bǔ)給則是指路基土中的水在水分遷移時得到來自地下水的補(bǔ)充.長農(nóng)項(xiàng)目路線所經(jīng)地區(qū)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),受西伯利亞和蒙古燥風(fēng)影響,四季分明,冬季嚴(yán)寒漫長,春季干旱多風(fēng),夏季溫暖短促,秋季晴朗溫差大.該地區(qū)年平均氣溫4.5℃～6.8℃,極端最高氣溫36.9℃～39.5℃,極端最低氣溫-36.1℃～-39.8℃,所選試驗(yàn)段為低填路段,地基為淤泥質(zhì)土且地下水位高,易產(chǎn)生水損等病害.

由圖2，圖3可知，路基在車輛荷載和自重應(yīng)力作用下發(fā)生了一定程度的沉降.坡腳處由于水的堆積產(chǎn)生了較大變形.從路基的豎向變形可以看出，路基頂部承受的荷載較多且變形量最大.由圖4可以看出,由于排水不暢導(dǎo)致路基中心的強(qiáng)度下降明顯,造成破壞.

圖2 路堤橫向位移云圖

圖3 路堤豎向位移云圖

圖4 路基總應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

(1) 由于土的特異性導(dǎo)致對其研究的復(fù)雜性、偶然性增加，但我們?nèi)阅軓闹姓业揭?guī)律,利用土的這些規(guī)律來預(yù)測將要產(chǎn)生的結(jié)果,以便預(yù)防病害的發(fā)生;水損對土的強(qiáng)度影響較大.由于北方地區(qū)的氣候特點(diǎn)導(dǎo)致冰雪融化后，水會在坡腳處堆積造成坡腳強(qiáng)度的減少并導(dǎo)致位移增大，因此對坡腳的排水處置要有足夠的重視.

(2) 路基的整體強(qiáng)度提高不足以保證工程質(zhì)量的提高,在重視路基的同時，更應(yīng)該注意地基的處理,用經(jīng)濟(jì)合理的方法來控制地基的含水量是一個可行的發(fā)展方向;

(3) 因?yàn)槭堑吐返?所以地基承受著一部分的路基自重及較多的車輛荷載.地基材料的強(qiáng)度也會影響整個工程的效果.

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 張 強(qiáng),陳雨人.平原微丘區(qū)高速公路低路堤設(shè)計(jì)研究[J].北方交通,2006(2):3-4.

[2] 張江紅,王書伏,丁小軍.平原區(qū)高速公路合理降低路基填筑高度方案的探討[J].公路,2005(1):40-41.

[3] 董 鵬.國內(nèi)外低路堤應(yīng)用研究[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化,2011(10):204-206.