陳建中，王 蒙，王 誠

（武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430023）

城市道路路基拓寬處治中土工格柵數(shù)值分析

陳建中，王 蒙，王 誠

（武漢市政工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430023）

公路改擴建城市道路工程中通常采用土工格柵處治路基拓寬搭接處新舊路基差異沉降。相關(guān)設(shè)計規(guī)范明確了新舊路基差異沉降的控制技術(shù)和控制標(biāo)準(zhǔn)，但對于土工格柵在路基拓寬處治段中最佳布設(shè)層數(shù)和豎向間距、位置等目前多為經(jīng)驗性的缺乏相應(yīng)的設(shè)計方法和規(guī)范指導(dǎo)，存在經(jīng)濟上的浪費或效果不佳。以荊門南高速出入口綜合整治工程拓寬搭接段為研究對象，建立路基拓寬有限元計算模型，通過有限元數(shù)值分析研究鋪設(shè)不同方式土工格柵拓寬路基對路面豎向位移及路面橫坡比的影響。根據(jù)計算結(jié)果確定了合理的格柵豎向間距與鋪設(shè)方案，該研究結(jié)果可以為公路改城市道路路基拓寬處治提供方案參考。

城市道路；路基拓寬；差異沉降；有限元；土工格柵

0 引言

道路改造拓寬工程中新、舊路路基間的差異沉降導(dǎo)致路面整體性能下降、路基路面變形、開裂更甚滑移是舊路改造工程中普遍存在的問題。針對這一現(xiàn)狀，目前路基拓寬搭接主要處治措施有：舊路基邊坡上開挖臺階、鋪設(shè)土工格柵等加筋材料和提高新建路基壓實度控制標(biāo)準(zhǔn)等[1～3]。工程實踐證明，土工格柵材料在降低新舊路基搭接位置的差異沉降效果最佳，使用也最為普遍。然而，土工格柵在路基拓寬段鋪設(shè)的最佳布設(shè)層數(shù)和豎向間距、位置等多為經(jīng)驗性的，缺乏相應(yīng)的設(shè)計方法和規(guī)范指導(dǎo)，存在經(jīng)濟上的浪費或效果不佳，因此很有必要對以上問題進(jìn)行分析研究。

本文結(jié)合荊門南高速出入口綜合整治工程，通過有限元ABAQUS軟件對土工格柵在路基拓寬搭接處的作用效應(yīng)等問題進(jìn)行分析研究。

1 數(shù)值簡化模型

為分析土工格柵布設(shè)的布設(shè)層數(shù)和豎向間距、位置等對于處治效果的影響，本文利用大型有限元分析軟件ABAQUS，充分考慮地基和路基的壓縮變形以及填挖方路基的相互影響作用，建立初始模型，然后根據(jù)不同情況建立各種模型進(jìn)行分析對比，歸納各個影響因素對土工格柵加筋新舊路基的影響規(guī)律，從而提出合理的土工格柵布設(shè)方式，指導(dǎo)設(shè)計。

1.1 分析模型

荊門南高速出入口綜合整治工程全長約4.1 km，現(xiàn)狀拓寬路基平均高度3.5 m，全線改擴建基本以現(xiàn)狀路基兩側(cè)拼接加寬為主。分析模型選取其中一段，主要計算參數(shù)完全按照工程實際情況選取，路基頂面寬度為60 m（兩側(cè)各拓寬22.5 m），路基邊坡坡比1:1.5。分析模型路基填方段高度為3.5 m，自舊路基邊坡頂部土路肩75 cm范圍內(nèi)開始開完開挖搭接，采取由下至上開挖臺階的拼接方式，設(shè)計臺階尺寸為1 m（寬）×0.5 m（高），以路基中線為對稱軸，取對半結(jié)構(gòu)建立模型見圖1。

圖1 路基拓寬設(shè)計圖(單位：m)

在進(jìn)行有限元分析時，作如下假定：

（1）從空間角度看，路基足夠長，其寬度方向相對于長度方向基本可以忽略不計，可以將三維空間問題簡化為平面應(yīng)變問題進(jìn)行處理；

（2）舊路基作用下的地基固結(jié)變形和舊路基自身的壓縮變形均已完成，假定只有新拓寬路基部分土重力；

（3）新、舊路基結(jié)合面搭接較好，接觸狀態(tài)為假定為完全連續(xù)狀態(tài)；

（4）假定土體均為理想彈塑性體。結(jié)構(gòu)各層材料為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性；層間接觸連續(xù)，完全粘合；

（5）邊界條件：地基底面水平和豎向兩個方向約束，地基寬度外側(cè)水平向約束，中間為對稱約束；

（6）將路面和汽車荷載等校為路基為1 m的填土荷載[2]。

1.2 計算參數(shù)

簡化計算建立模型為平面應(yīng)變分析模型，對于路面結(jié)構(gòu)厚度及交通荷載，計算時等效為11.5 kPa的均布荷載[3]，其它結(jié)構(gòu)計算參數(shù)見表1。土工格柵的計算長度設(shè)為22 m，土與土工格柵之間的接觸，采用界面約束處理，使用嵌入?yún)^(qū)域來處理（Embedded region），土工格柵作為嵌入?yún)^(qū)域，嵌入到路基中，路基作為主區(qū)（Host region）[6]。

表1 計算參數(shù)表[3]

2 算例計算分析

對于在新舊處治搭接處治中設(shè)置土工格柵能否有效減小地基沉降量，目前研究結(jié)果結(jié)論不一，有結(jié)論認(rèn)為土工格柵與周圍土體有機結(jié)合后可以增強土基的剛度并具有強大的抗側(cè)向限制，不但可以提高地基承載力，而且能減少地基沉降量；也有分析認(rèn)為土工格柵能提高地基承載力，但對縮小路基差異沉降量效果顯著[4]。

目前，在路基拓寬處治設(shè)計中土工格柵的通常設(shè)置方式有：設(shè)置路床頂、設(shè)置路床底和逐層臺階鋪設(shè)土工格柵等。為分析鋪設(shè)土工格柵對處治新舊路基處治效果的差異，計算時選取以上常用的鋪設(shè)方式從土工格柵鋪設(shè)位置及鋪設(shè)密度對路面的豎向位移影響進(jìn)行分析。

2.1 鋪設(shè)土工格柵位置對土基豎向位移影響

選取了鋪設(shè)一層土工格柵置于路床頂（路床頂部以下30 cm）及路床頂?shù)祝反驳撞恳陨?0 cm）兩種情形進(jìn)行計算模擬，計算結(jié)果與未設(shè)置土工格柵時進(jìn)行對比。圖2給出了兩種鋪設(shè)位置的計算結(jié)果，圖2中橫軸為道路橫向各點距舊路基中心距離，縱軸表示不同設(shè)置情形下路基的豎向方向的位移變化。

圖2 鋪設(shè)一層土工格柵時路面豎向位移

（1）圖2位移曲線反應(yīng)路基頂面的豎向位移沿道路橫向呈現(xiàn)“凹形”分布，新舊路基間最大差異沉降發(fā)生于新舊路基結(jié)合處，即路基拓寬銜接位置。

（2）由曲線變化趨勢來看，加設(shè)土工格柵能在一定程度減小路基沉降變形。而且，土工格柵鋪設(shè)于路床頂對降低新舊路基差異沉降效果優(yōu)于路床底。鋪設(shè)路床頂面時，縮小新舊路基間差異沉降比不設(shè)土工格柵時減小7.4%～10%。

（3）土工格柵鋪設(shè)路床頂和路床頂，局部位置路基豎向位移最大位移為16.7 cm，相對于舊路中心點差異沉降值為11.7 cm，對應(yīng)橫坡改變率為0.58%，高于《城市道路路基設(shè)計規(guī)范》（CJJ194-2013）中差異沉降引起的工后橫坡改變率不應(yīng)大于0.5%的上限規(guī)定要求[1]。表明在路基拓寬處治中設(shè)置一層土工格柵難以達(dá)到規(guī)范對新舊路基差異沉降控制要求。

2.2 鋪設(shè)土工格柵密度對土基豎向位移影響

為增加土工格柵鋪設(shè)層數(shù)滿足規(guī)范中對路基拓寬工后沉降的規(guī)定，又不至于造成土工格柵，對土工格柵的鋪設(shè)密度進(jìn)行分析。在拓寬路基填土范圍內(nèi)結(jié)合新舊路基開挖臺階高度改變土工格柵鋪設(shè)密度，選取五種多層土工格柵鋪筑方案進(jìn)行計算，見表2、圖3。圖4給出了五種不同計算工況條件下路面豎向的變化曲線圖。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)：

（1）路基在未設(shè)置土工格柵條件下，新路基填筑完成后，新舊路基橫坡比遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了既有路基與拓寬拼接路基沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，而且隨著道路改造后運營，土體固結(jié)完成，橫坡比會進(jìn)一步增大，降低道路的服務(wù)性能，影響行車安全。

（2）土工格柵在工況二、工況三、工況四和工況五時，最大沉降量分別為14.5 cm、15.2 cm、16.05 cm和 17.1 cm，橫坡比分別為 0.042%、0.045%、0.049%、0.054%和0.058%。在這四種鋪設(shè)方式中，土工格柵滿臺階鋪設(shè)時（土工格柵間距0.5 m）最大沉降量和橫坡比最小。

表2 多層土工格柵鋪設(shè)方案

圖3 多層土工格柵鋪設(shè)方案示意圖

（3）土工格柵豎向設(shè)置間距越小，路面豎向位移值越小。當(dāng)土工格柵的間距在1.0 m以內(nèi)變化時,路面的豎向位移變化越來越緩慢,也就是說,當(dāng)格柵間距小于1.0后,土工格柵降低路基的不均勻沉降的效率逐漸降低?；谝陨嫌嬎惴治?同時考慮到經(jīng)濟因素，荊門南高速出入口綜合整治工程中路基拓寬搭接鋪設(shè)3層土工格柵的技術(shù)方案。經(jīng)過鋪設(shè)土工格柵處理后，路基表面最大沉降量為16.05 cm，新舊路基橫坡比為0.495%，滿足規(guī)范要求。

圖4 鋪設(shè)一層土工格柵時路面豎向位移

3 結(jié) 語

本文結(jié)合荊門南高速出入口綜合整治工程中路基拓寬設(shè)計對城市道路路基拓寬土工格柵設(shè)置進(jìn)行了有限元數(shù)值分析，通過計算分析主要得出如下結(jié)論：

（1）分析結(jié)果表明一層或者兩層及多層土工格柵對新舊路基搭接處置中加設(shè)土工格柵能在一定程度減小路基沉降變形。土工格柵鋪設(shè)于路床頂對降低新舊路基差異沉降效果優(yōu)于路床底。

（2）在路基拓寬處治中設(shè)置一層土工格柵難以達(dá)到規(guī)范對新舊路基差異沉降控制要求。

（3）基于計算分析，土工格柵鋪設(shè)層數(shù)越多效果越好?？紤]到經(jīng)濟因素，對于一般的城市道路路基拓寬搭接處治中考慮采用土工格柵設(shè)置1m間距的方案效果最佳。

[1]CJJ 194-2013,城市道路路基設(shè)計規(guī)范[S].

[2]JTG D30-2015,公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范[S].

[3]錢勁松,凌建明,黃琴龍.路基拓寬工程設(shè)計方法研究[J].公路交通科技2007,24(5):43-47.

[4]徐少曼,洪昌華.土工織物加筋堤壩軟基的非線性分析[J].巖土工程學(xué)報,1999(7):438-442.

[5]傅珍,王選倉,陳星光.拓寬道路工后差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)[J].長安大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2008,28(8):10-13.

[6]唐朝生,劉義懷,施斌,等.新老路基拼接中差異沉降的數(shù)值模擬[J].中國公路學(xué)報,2007,20(2):13-17.

[7]袁堃,汪雙杰,牛富俊,等.多年凍土拓寬路基差異沉降特征分析[J].中國公路學(xué)報,2011,29(9):21-28.

U416.05

A

1009-7716（2017）03-0054-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.03.016

2016-12-22

陳建中（1985-），男，江西萍鄉(xiāng)人，工程師，從事道路設(shè)計工作。