董耀群
天津城建設(shè)計院有限公司,天津市300122)
老路改建中路基加寬處不均勻沉降有限元研究
董耀群
天津城建設(shè)計院有限公司,天津市300122)
道路拓寬中新舊路基產(chǎn)生的不均勻沉降是導(dǎo)致路面產(chǎn)生縱向裂縫的主要因素。對此,首先分析了不均勻沉降產(chǎn)生的原因,并運用有限元軟件ANSYS建立了道路拓寬處仿真模型。計算結(jié)果表明,土工格柵在處理新舊路基沉降中具有明顯的作用,為舊路拓寬工程中不均勻沉降的處治提供了參考。
老路改建;不均勻沉降;有限元軟件ANSYS
近年來,隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,許多上世紀(jì)八、九十年代修建的道路已無法滿足交通量日益增長的需要,進(jìn)入了改建或擴建階段。道路拓寬處路基的不均勻沉降在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)引起的附加應(yīng)力可造成路面早期破壞,影響改建后路面的使用質(zhì)量和使用壽命,甚至危及行車安全。因此,如何準(zhǔn)確、系統(tǒng)地計算舊路拓寬處的差異沉降,并采取合理的處治措施勢在必行。
舊路拓寬處不均勻沉降產(chǎn)生的原因可分為以下幾點。
1.1人為方面的原因
新老路基拓寬部位是施工的薄弱環(huán)節(jié)。該部位施工工藝復(fù)雜、施工難度大,經(jīng)常會發(fā)生不符合設(shè)計要求的現(xiàn)象,如拼寬部位路基壓實度不滿足要求、不按照要求布設(shè)土工格柵、或格柵質(zhì)量不滿足要求等等。由于施工質(zhì)量控制不嚴(yán)或施工工藝操作不規(guī)范等各種人為因素使得拼寬部位更容易成為薄弱點,加重了新老路基的不均勻沉降。
1.2新舊路基的工程地質(zhì)條件發(fā)生了變化
老路經(jīng)過多年的運營,其沉降已基本完成,加寬部分雖然經(jīng)過碾壓到達(dá)規(guī)范要求的壓實度,但加寬部分與老路的固結(jié)沉降程度不一致,作用在加寬部分的車輛荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力必然引起現(xiàn)有道路的附加沉降,從而產(chǎn)生新舊路基的不均勻沉降。
1.3路基填料性質(zhì)的不同
由于車輛載重的不斷增加,新建的路面結(jié)構(gòu)也越來越厚,加寬部分的路面結(jié)構(gòu)往往與老路結(jié)構(gòu)厚度不一致,由于新施工工藝、施工材料的不斷出現(xiàn)及老路強度在使用過程中的不斷衰減,新舊道路的結(jié)構(gòu)強度也不一致,使得新舊道路產(chǎn)生的沉降也不一致。
1.4老路拓寬設(shè)計理論尚不完善
目前,對于老路加寬的理論研究較少,新老路基拓寬后的不均勻沉降研究尚不成熟,在實際設(shè)計中往往根據(jù)設(shè)計者的個人經(jīng)驗,具有一定的盲目性,經(jīng)常需要通車一段時間后方能檢驗設(shè)計方法的有效性。由于各項目具有一定的差異性,因此,現(xiàn)有設(shè)計經(jīng)驗難以大面積地指導(dǎo)道路拓寬項目施工。
近年來,通過國內(nèi)外科研工作者的不懈努力,涌現(xiàn)出了一系列的老路拓寬工程不均勻沉降處理方法,如在加寬臺階處鋪設(shè)土工格柵、土工格室、加寬部分使用輕質(zhì)材料、加寬部分采用強夯等等。其中,土工格柵具有強度高、穩(wěn)定性好、造價低、施工方便等優(yōu)點,在多個老路拓寬項目中使用效果良好。但目前對于土工格柵鋪設(shè)的寬度、鋪設(shè)層位及鋪設(shè)的層數(shù)尚沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),因此本文利用有限元軟件ANSYS對老路拓寬處進(jìn)行仿真模擬,對上述工況下各參數(shù)變化時的沉降量進(jìn)行對比分析。
2.1基本假設(shè)及邊界條件
在實際分析過程中,為計算方便,在保證準(zhǔn)確性的前提下常做出如下假設(shè):
(1)路面結(jié)構(gòu)各層組成材料各向同性,土體均質(zhì)連續(xù);
(2)行車荷載在拼寬處按照均布荷載等效換算,結(jié)構(gòu)自重等效為力與行車荷載一起作用;
(3)老路拓寬時固結(jié)沉降在多年的運行中已完成;
(4)各結(jié)構(gòu)層層間接觸面完全連續(xù);
(5)根據(jù)結(jié)構(gòu)的對稱性,取老路及拓寬后路基的一半作為研究對象;
(6)計算中考慮路面結(jié)構(gòu)自重;
(7)左右邊界為豎向無約束、橫向固定。
2.2模型尺寸及材料參數(shù)
(1)研究對象為4車道高速公路,路基寬度為27.0 m,老路路堤填方邊坡坡高4.0m,新老路邊坡坡率均為1:1.5,模擬4車道改8車道,每邊加寬按照8.0m計算。
(2)行車荷載采用現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ-100 kN,輪胎內(nèi)氣壓為0.7 MPa,將荷載的作用面簡化為正方形,其面積為27 cm×27 cm。
(3)新老路拼接處采用開挖臺階,路床部分臺階高0.8 m,寬1.20 m,路堤部分臺階高1.0 m,寬1.5 m,在最底層臺階滿鋪土工格柵以減小不均勻沉降和防止縱向開裂。
(4)為保證土工格柵在路堤上處于同一平面,各臺階水平方向設(shè)置內(nèi)傾2%斜坡,豎向均垂直開挖。土工格柵鋪設(shè)方向與路線方向垂直,沿行車方向搭接寬度大于20 cm,橫向采用固定間距不大于30 m鉛絲綁扎,周邊及縱向搭接采用U型釘固定,U型釘采用6 mm鋼筋彎制成,其固定間距不大于1.0 m。
(5)各結(jié)構(gòu)層參數(shù)如表1所列。
表1 計算參數(shù)表
以下研究均以表1的參數(shù)為基本模型,分別對單一參數(shù)變化時的模型進(jìn)行研究。
3.1填土高度不同時加寬處沉降分析
道路受到地形、地質(zhì)、排水及洪水位等因素影響,會有一定的縱坡,因此,路堤填土的高度也不盡相同,相關(guān)研究表明:填土高度是影響加寬處不均勻沉降的主要因素。
該項目沉降分析選取路堤填土高度2 m、4 m、6 m、8 m時為研究對象,對加寬處的沉降量進(jìn)行有限元計算,計算結(jié)果繪于圖1。
從圖1可以看出,路堤填土高度不同時,路堤表面的沉降均隨著路堤填土高度的增加而增加。
圖1 路堤填方不同高度時路堤表面不均勻沉降計算結(jié)果曲線圖
當(dāng)路堤填方高度分別為2 m,4 m,6 m,8 m時,施工末期加寬處的最大沉降分別為9.35 cm、10.36 cm、12.12 cm、19.08 cm,工后15a加寬處最大沉降分別為17.69 cm、17.86 cm、26.13 cm、40.36 cm。與填土高度為8 m相比,路堤填方高度分別為2 m,4 m,6 m時沉降分別減少了50.9%、45.7%、36.5%。由此可見,路堤填土高度增加時,設(shè)置土工格柵能減小工后沉降,且路堤填土高度越小,格柵減小沉降的作用越明顯。
當(dāng)路堤填土高度大于4 m時,雖然加寬處設(shè)置了土工格柵,但由于僅在底部設(shè)置一層,工后沉降量仍然超過了加寬路堤的沉降量臨界容許值。由此可見,雖然土工格柵在減小新舊路堤加寬的不均勻沉降方面作用明顯,但隨著路堤填土高度的增加,特別是,當(dāng)路堤填土高度大于4 m時,不均勻沉降隨著填土高度的增加仍然增加較快。而土工格柵在一定程度減小了不均勻沉降,但仍不足以抵消填土高度增加帶來的沉降量。由此可見,僅設(shè)置一層土工格柵的功能是有限的,需要增加格柵的層數(shù)來減小不均勻沉降。
3.2加寬寬度不同時加寬處沉降分析
按照本文前述參數(shù),分別模擬4車道改6車道、8車道、10車道,道路兩側(cè)加寬寬度分別為4 m、8 m、12 m,填土高度按照4.0 m進(jìn)行有限元仿真模擬,施工末期和工后15a的計算結(jié)果繪于圖2。
圖2 加寬寬度不同時路堤不均勻沉降計算結(jié)果曲線圖
由圖2可知,加寬寬度為4 m、8 m、12 m時,設(shè)置土工格柵時施工末期的最大沉降量分別為7.09c m、16.39 cm和23.76 cm,工后15 a設(shè)置土工格柵最大沉降量分別為18.56 cm、28.86 cm和34.82 cm。與加寬寬度為12m相比,加寬寬度分別為4 m,8 m時沉降分別減少了70.2%、31.0%。
由上述分析可知,沉降量均隨著拓寬寬度的增加而增加,但設(shè)置土工格柵后均在一定程度上減少了新路基的沉降量。
3.3土工格柵布設(shè)位置不同時的沉降分析
現(xiàn)行設(shè)計對土工格柵鋪設(shè)的位置尚沒有明確的計算依據(jù)。本文上述研究也均基于在路基底部第一層臺階滿鋪土工格柵。因此,本節(jié)通過對土工格柵設(shè)置不同位置時的路基沉降研究,找出格柵設(shè)置的合理位置。
以基本模型參數(shù)為依據(jù),不同格柵布設(shè)位置時的路基沉降計算如圖3所示。從圖3中可以看出,格柵設(shè)置在哪一層臺階處均可以減小路基的沉降量,但與其他位置相比,設(shè)置于底部第一層臺階時路基的沉降量減少最多,分別為12.6%、19.6%、27.0%和31.1%。因此,在滿足路基穩(wěn)定性的前提下,路基加寬在第一層臺階設(shè)置土工格柵的效果最好。
圖3 格柵布設(shè)位置不同時的路堤不均勻沉降計算結(jié)果曲線圖
分析其原因,在底部第一層臺階處鋪設(shè)土工格柵可以分散填土荷載,增加新舊路基的剛度模量,在較大程度上保持了基地的連續(xù)性,改善了基地的不均勻受力狀況,使得荷載的分布較為均勻,在很大程度上減小了不均勻沉降量。
上述計算僅考慮了施工期間的土體和路面結(jié)構(gòu)的自重產(chǎn)生的沉降。在道路的實際運營中,還需要承受車輛荷載產(chǎn)生的各種應(yīng)力,僅在底部第一層臺階設(shè)置格柵,很容易引起路基頂部不均勻荷載產(chǎn)生的裂縫,并最終反射到瀝青面層上,從而產(chǎn)生面層的縱縫,影響道路的美觀和使用壽命。相關(guān)的計算結(jié)果同樣表明,格柵位于第一層臺階時的拉應(yīng)力較大,因此,在路基頂部設(shè)置格柵也是必要的,且可在一定程度上減小不均勻沉降。
對此,本文建議對一般填方路基設(shè)置兩層土工格柵,既可以減小不均勻沉降,又可以防止由于不均勻沉降引起的縱向裂縫。
通過本文的計算分析可以得出以下結(jié)論:
(1)路基加寬后的沉降隨著路堤填土高度的增加而增加;
(2)路基加寬后的沉降隨著加寬寬度的增加而增加;
(3)土工格柵的設(shè)置在路基底部第一層臺階的效果最好。
U418.8
B
1009-7716(2015)05-0035-03
2015-03-02
董耀群(1982-),女,天津人,碩士研究生,工程師,從事道路工程設(shè)計工作。