王 友 順

(駐馬店市公路管理局，河南 駐馬店 463000)

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信息化施工在高速公路路堤工程中的應(yīng)用

王 友 順

(駐馬店市公路管理局，河南 駐馬店 463000)

通過(guò)模擬分析軟土路基的變形規(guī)律，制定了路堤工程施工及監(jiān)測(cè)方案，根據(jù)施工監(jiān)測(cè)資料反演路基土體參數(shù)，進(jìn)行施工動(dòng)態(tài)模擬，并對(duì)施工方案進(jìn)行優(yōu)化，滿足了施工期路基穩(wěn)定性及沉降控制要求，最后預(yù)測(cè)了路堤的工后沉降及沉降速率，判定了工程質(zhì)量及監(jiān)測(cè)周期。

路堤工程，信息化施工，數(shù)值模擬，參數(shù)反演

0 引言

工程實(shí)踐表明，對(duì)于修筑在軟土地基上的高速公路，其發(fā)生工程病害的主要誘因是路堤的工后超預(yù)期沉降與路堤邊坡失穩(wěn)[1]。為此，近年來(lái)信息化施工技術(shù)被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到高速公路路堤工程建設(shè)中。所謂信息化施工，是指通過(guò)詳細(xì)分析施工監(jiān)測(cè)和檢測(cè)資料，制定和優(yōu)化后續(xù)施工方案，實(shí)現(xiàn)控制施工質(zhì)量的目的。目前，路基工程中應(yīng)用信息化施工技術(shù)的目的主要有：1)依據(jù)監(jiān)測(cè)資料，利用信息化施工技術(shù)指導(dǎo)和控制工程進(jìn)度，保證填方路堤施工期穩(wěn)定性要求[2,3]；2)依據(jù)監(jiān)測(cè)資料，對(duì)路基的工后沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，并在施工期間采取應(yīng)對(duì)措施，以減輕工后沉降可能造成的道路病害[4,5]。

本文將數(shù)值模擬及信息化施工相結(jié)合，對(duì)某軟土地基高速公路路堤工程施工進(jìn)行指導(dǎo)。首先通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)軟土路基變形特性進(jìn)行分析，制定施工及監(jiān)測(cè)方案，再根據(jù)施工監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)土體參數(shù)進(jìn)行反演并進(jìn)行施工動(dòng)態(tài)模擬，優(yōu)化施工方案，最后通過(guò)模擬預(yù)測(cè)工程沉降及沉降速率，預(yù)判工程質(zhì)量及監(jiān)測(cè)周期。

1 工程概況

某高速公路路堤基底寬約40 m，坡度為1∶1.5。公路工程路區(qū)范圍內(nèi)地層主要為第四系全新統(tǒng)沖積層或上更新統(tǒng)沖積層。土層分布及其主要物理力學(xué)指標(biāo)見(jiàn)表1。由于軟土層較厚，設(shè)計(jì)采用預(yù)壓處理。預(yù)壓荷載平均約6.5 m，分級(jí)加載。

表1 各土層主要物理力學(xué)指標(biāo)

2 信息化施工設(shè)計(jì)

高速公路路堤工程信息化施工流程如圖1所示。圖中，信息化施工組織設(shè)計(jì)包括路堤工程數(shù)值模擬、施工監(jiān)測(cè)方案制定、埋設(shè)沉降板、分層沉降儀、測(cè)斜管、孔隙水壓力計(jì)等測(cè)量?jī)x器的埋設(shè)的施工組織與準(zhǔn)備工作。

3 路堤工程的信息化施工

3.1 模擬預(yù)測(cè)

考慮到路堤的對(duì)稱(chēng)性，故路堤施工模擬采用1/2路堤進(jìn)行平面應(yīng)變分析，模型尺寸為60 m×28 m。模型底部邊界約束豎向位移，x=0側(cè)面約束水平位移，其余邊界自由；地基頂面孔壓設(shè)為0 kPa，其余邊界設(shè)為不透水邊界。模型采用實(shí)體單元模擬，巖土材料本構(gòu)關(guān)系采用Mohr-Coulomb模型，路基土的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

為保證路堤的安全施工，經(jīng)數(shù)值模擬反復(fù)試算，路堤施工工序及進(jìn)度安排如下：1)第一級(jí)填土高度2.5 m，工期40 d；2)固結(jié)50 d；3)第二級(jí)填土高度2.0 m，工期36 d；4)固結(jié)90 d。

圖2為路堤工程第一級(jí)填土施工完成后路基的沉降場(chǎng)。圖2中路基沉降位移場(chǎng)顯示深層土體發(fā)生較為明顯的沉降，這說(shuō)明該路堤工程中沉降起控制作用。數(shù)值模擬表明路堤中心地基的沉降最大，而路堤坡腳范圍內(nèi)地基土的水平向位移最大。因此，路堤施工中應(yīng)注意路堤中心線位置的沉降監(jiān)測(cè)，以及坡腳范圍內(nèi)地基土的深層水平位移監(jiān)測(cè)。此外，數(shù)值模擬中路堤邊坡及地基土均未出現(xiàn)明顯的滑動(dòng)面，這表明按設(shè)計(jì)填筑速度施工能滿足地基穩(wěn)定性要求。

3.2 施工監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

根據(jù)工程條件及數(shù)值模擬結(jié)果，確定路堤工程施工監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括地表變形、土體深層位移監(jiān)測(cè)及孔隙水壓力，具體監(jiān)測(cè)方案如下：

1)路基變形監(jiān)測(cè)：路基中心、路肩處設(shè)置沉降板或邊樁，監(jiān)測(cè)路基的沉降變形；通過(guò)邊樁監(jiān)測(cè)路基的水平位移。

2)土體深層位移監(jiān)測(cè)：路基中心處設(shè)置分層沉降儀監(jiān)測(cè)施工期地基分層沉降；坡腳設(shè)置測(cè)斜管監(jiān)測(cè)路堤施工期地基分層側(cè)向變形。

3)孔隙水壓力監(jiān)測(cè)：路基中心設(shè)置孔隙水壓力計(jì)監(jiān)測(cè)軟土地基中孔隙水壓力，確定地基土的固結(jié)情況。監(jiān)測(cè)儀器布置示意圖見(jiàn)圖3。

3.3 施工監(jiān)測(cè)及結(jié)果分析

圖4為路堤中心地基沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果。由圖4可知，隨著路堤填筑高度的增加，路基沉降量持續(xù)增大，路基沉降速率最大達(dá)7.4 mm/d，小于沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，滿足路堤及路基穩(wěn)定性控制要求[6]。路基填筑施工結(jié)束后，地基沉降量仍顯著增加，但沉降速率隨時(shí)間推移而減小，這是孔隙水壓力消散及路基土發(fā)生固結(jié)引起的。

圖5為第一級(jí)填土施工期及工后路基中心深層沉降及水平位移曲線。圖5a)路基中心深層沉降表明第一級(jí)填筑完成后，地表處路基沉降最大，隨著深度增加，路基土體沉降迅速減??；但由于路基土壓縮性較高，埋深22 m處的路基土層在90 d時(shí)沉降達(dá)27.5 mm，即土體沉降較為明顯，這與預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致。圖5b)路基深層水平位移表明施工期間路堤坡腳以下一定深度范圍內(nèi)的土體均會(huì)產(chǎn)生較顯著的水平位移：路堤坡腳6.0 m范圍以?xún)?nèi)土體水平位移隨埋深增加而增大，超過(guò)6.0 m水平位移隨埋深增加而減小。此外，監(jiān)測(cè)表明路堤坡腳土體深層水平位移速率最大約2.9 mm/d，滿足路堤穩(wěn)定性控制要求。

3.4 參數(shù)反演及模擬預(yù)測(cè)

路堤工程信息化施工中應(yīng)對(duì)路基土的壓縮模量及滲透系數(shù)進(jìn)行反演，步驟如下：1)根據(jù)孔隙水壓力監(jiān)測(cè)資料，反演各土層的滲透系數(shù)；2)根據(jù)路基中心沉降及分層沉降監(jiān)測(cè)資料，反演各土層的壓縮模量。

根據(jù)施工監(jiān)測(cè)資料，反演得到各土層的壓縮模量及滲透系數(shù)，見(jiàn)表2。表2中各層土體的壓縮模量與滲透系數(shù)的反演與表1存在一定差異，很可能需要調(diào)整路堤工程后續(xù)施工安排。

表2 土體參數(shù)反演結(jié)果

利用表1與表2中土體物理力學(xué)參數(shù)，對(duì)后續(xù)路堤工程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，結(jié)果表明：若仍按原計(jì)劃36 d進(jìn)行路堤工程第二級(jí)施工，填土階段模擬難以收斂，即實(shí)際施工路基很可能難以滿足穩(wěn)定性要求，需要延長(zhǎng)第二級(jí)填土施工的工期。經(jīng)模擬試算，工期調(diào)整為45 d后能滿足穩(wěn)定性控制要求。

按調(diào)整后的工期進(jìn)行第二級(jí)填土施工，并進(jìn)行施工監(jiān)測(cè)，路基中心沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖4可知，第二級(jí)填土施工期間路基沉降量隨填土高度增加而持續(xù)增大，施工結(jié)束時(shí)沉降量達(dá)594 mm；施工期路基沉降速率最大達(dá)8.0 mm/d，滿足路堤及路基穩(wěn)定性控制要求[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文將數(shù)值模擬及信息化施工相結(jié)合，對(duì)軟土地基高速公路路堤工程進(jìn)行指導(dǎo)。主要結(jié)論如下：

1)將數(shù)值模擬與信息化施工相結(jié)合，有助于制定合理的路堤工程施工及監(jiān)測(cè)方案，發(fā)揮施工監(jiān)測(cè)資料工程價(jià)值，提高施工合理性及經(jīng)濟(jì)性。

2)根據(jù)施工監(jiān)測(cè)資料對(duì)路基土層進(jìn)行參數(shù)反演，有助于確定土體的實(shí)際工程特性，對(duì)指導(dǎo)和優(yōu)化路堤工程后期施工方案、保證路基穩(wěn)定性有重要意義。

[1] 方堅(jiān)宇,張可能,陳 賓，等.G319國(guó)道牛兒埡橋0#橋臺(tái)加固與病害機(jī)理分析與處置加固[J].公路工程,2009(1):108-111.

[2] 何輝明,胡伍生,張 兵，等.高速公路沉降觀測(cè)與施工決策的探討[J].公路交通科技,2004,21(6):47-49.

[3] 陳建峰,石振明,孫 紅.軟土地基路堤工程信息化施工技術(shù)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2007,35(1):37-40.

[4] 曹海瑩,王大鵬,竇遠(yuǎn)明.一種改進(jìn)的路堤信息化施工監(jiān)控流程[J].公路交通科技,2011,28(2):31-36.

[5] 萬(wàn) 星.公路填筑路基沉降監(jiān)測(cè)與施工控制技術(shù)研究[D].重慶:重慶交通大學(xué),2013.

[6] JTG/T D31—02—2013，公路軟土地基路堤設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則[S].

Application of informational construction method in highway embankment engineering

Wang Youshun

(ZhumadianAdministrationBureauofHighway,Zhumadian463000,China)

The proper construction program and monitoring scheme were proposed based on the numerical analysis of deformation characteristic of subgrade soils. Parameters of subgrade soils were back analyzed from monitoring data for the dynamic numerical simulation of embankments. The construction program was thus optimized to satisfy the control of subgrade stability and settlement. The post-construction settlement and settling rate were also numerically predicted to estimate the construction quality and the monitoring period.

embankment engineering， informational construction， numerical simulation, parameter back-analysis

1009-6825(2016)10-0113-02

2016-01-22

王友順(1966- )，男，高級(jí)工程師

U416.12

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