■鄒君俊

(福建省福泉高速公路有限公司， 福州 350001)

1 工程背景

某高速公路地處軟基路段， 地表多為農(nóng)田、耕地，且為填方路基，填土高度在3～5 m。 路基寬度26 m，包括土路肩、硬路肩和4 個(gè)行車(chē)道。某高速公路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面如圖1 所示。

圖1 某高速公路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

近年來(lái)，隨著周邊經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，通過(guò)該高速公路路段的車(chē)流量迅速增長(zhǎng)， 重型車(chē)比例也有所增加， 使得該高速公路路面出現(xiàn)不同程度的開(kāi)裂破壞(圖2)。 由圖2 可以看出，路面開(kāi)裂位置主要出現(xiàn)在硬路肩。 為了保證高速公路的行車(chē)安全性和舒適性，本文采用有限元分析方法，對(duì)該高速公路路面發(fā)生開(kāi)裂破壞的原因進(jìn)行了深入分析和探討。同時(shí)，由于該高速公路是福建省重要通道之一，封閉交通不僅會(huì)對(duì)周邊路網(wǎng)沖擊過(guò)大，而且繞行過(guò)遠(yuǎn)，造成交通資源浪費(fèi)。 為此，基于該高速公路路面發(fā)生開(kāi)裂破壞成因分析結(jié)果、 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件等，探討了不中斷交通的路基卸載+坡腳反壓的加固方法。

圖2 路面開(kāi)裂照片

2 有限元模型的建立

2.1 模型尺寸的確定

根據(jù)該高速公路路基填土高度范圍和橫斷面設(shè)計(jì)圖， 取路基填土高度為4 m， 路基寬度取26 m，路基邊坡坡度取1∶1.5。 考慮到路基周邊地基土體或是基本已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定， 或是為原狀土，因此，為了避免邊界條件產(chǎn)生圣維南效應(yīng)[1]，有限元分析模型的平面尺寸取200 m×200 m，平面尺寸為路基跨度的7.7 倍，滿足大于6 倍路基寬度的要求；地基深度宜大于路基高度的6 倍，取30 m。

2.2 網(wǎng)格劃分及本構(gòu)關(guān)系

路基、路面和地基均采用ABAQUS 中常用的六面體單元。 為了提高分析效率， 對(duì)于重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域——路面、 路基和路基周邊一定范圍內(nèi)采用精細(xì)網(wǎng)格，而在非重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域，采用過(guò)渡網(wǎng)格或者稀疏網(wǎng)格。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果可知，路面與路基和路基與地基表面間貼合良好，為了防止路面、路基和地基出現(xiàn)較多不是由于荷載作用引起的應(yīng)力集中和結(jié)果失真， 需保證路面底面與路基表面和路基底面與地基表面節(jié)點(diǎn)和單元不僅數(shù)量相同， 而且兩者位置也應(yīng)該一一對(duì)應(yīng)，有限元模型及其網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖3。

圖3 有限元模型及其網(wǎng)格劃分

由于土體結(jié)構(gòu)不同于混凝土、鋼結(jié)構(gòu)等，其具有高度的離散性和區(qū)域性， 因而本構(gòu)關(guān)系相對(duì)較為復(fù)雜。 參照文獻(xiàn)[2]可知，由于摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則一方面可以考慮土體S-D 效應(yīng)和土體對(duì)內(nèi)部靜水壓力的敏感性，而且與其他屈服準(zhǔn)則相比，具有操作簡(jiǎn)單， 相關(guān)參數(shù)——粘聚力和內(nèi)摩擦角均可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)取樣以及開(kāi)展簡(jiǎn)單的室內(nèi)土工試驗(yàn)得到，因而被實(shí)際工程廣泛采用。 因此，本文研究的路基和地基的本構(gòu)模型均采用摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則， 相關(guān)參數(shù)取值均以該高速公路現(xiàn)場(chǎng)土體取樣所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

2.3 邊界條件及荷載工況

由于所取地基平面尺寸和深度能夠避免圣維南效應(yīng)， 因而地基周邊邊界條件對(duì)本文分析對(duì)象——路基和路面的受力狀態(tài)不會(huì)造成影響，即有限元模型的邊界條件可取為： 約束有限元模型地基周邊的X 方向和Y 方向，約束有限元模型地基底部的X 方向、Y 方向和Z 方向。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)車(chē)流量調(diào)查結(jié)果可知，由于該高速公路的硬路肩寬度較大，使得該高速公路沿線經(jīng)常有較多大型車(chē)輛會(huì)在硬路肩位置滯留休息[3]。 因此，為對(duì)該高速公路路面開(kāi)裂進(jìn)行成因分析，有限元模型的荷載工況包括3 種：分別是工況1-無(wú)車(chē)輛荷載作用、 工況2-硬路肩無(wú)滯留車(chē)輛和工況3-硬路肩有滯留車(chē)輛工況[4]，具體工況見(jiàn)圖4。同時(shí)，根據(jù)該高速公路的車(chē)道設(shè)計(jì)，有限元模型第一、二車(chē)道為微型車(chē)，第三、四車(chē)道為重載車(chē)輛。

圖4 荷載工況

3 路面開(kāi)裂成因分析

3.1 變形結(jié)果分析

圖5 X方向變形

圖6 Z 方向變形

圖5～6 給出了該高速公路路面、路基及地基分別在工況1～工況3 作用下，沿X 方向(橫斷面方向)和Z 方向(豎向沉降方向)變形。由圖5～6 可以看出，當(dāng)該高速公路路面沒(méi)有車(chē)輛通行時(shí)(工況1)，該高速公路沿X 方向和Z 方向的變形關(guān)于道路中心線呈軸對(duì)稱。 當(dāng)路面承受車(chē)輛荷載作用，且硬路肩無(wú)滯留車(chē)輛時(shí)(工況2)，與工況1 相比較，該高速公路沿X 方向和Z 方向的變形均有較明顯的增大， 沿X 方向的變形由工況1 的8.4 mm，增大到16.4 mm，沿Z 方向的變形則由工況1 的42.2 mm，增大到92.5 mm。 相比于工況1 和工況2， 工況3 由于在硬路肩上有滯留車(chē)輛，且多為重載車(chē)輛，因而該高速公路沿X 方向和Z 方向的變形達(dá)到最大， 分別為21.9 mm 和117.7 mm，同時(shí)硬路肩有滯留車(chē)輛側(cè)的變形，明顯大于另一側(cè)，即偏載作用較為明顯。 此外，工況1～工況3 作用下， 該高速公路沿X 方向的變形趨勢(shì)均表現(xiàn)為朝道路中心線擠壓變形； 而沿Z 方向的變形趨勢(shì)則均表現(xiàn)為沉降變形。

3.2 應(yīng)力結(jié)果分析

圖7 應(yīng)力云圖

為0.177 MPa， 小于該高速公路路面容許拉應(yīng)力0.22 MPa，即該高速公路在工況2 作用下，路面仍然不會(huì)發(fā)生開(kāi)裂。

當(dāng)硬路肩位置有重型車(chē)輛滯留時(shí)(工況3)，結(jié)合圖5～7 可知，與工況2 相比較，行車(chē)道內(nèi)路基的變形和應(yīng)力均有所增大， 且由于硬路肩底部路基和地基的沉降變形減弱了路基對(duì)路面的支撐作用， 使得該高速公路路面最大應(yīng)力由第四車(chē)道轉(zhuǎn)移至硬路肩位置，最大應(yīng)力達(dá)到0.260 MPa，大于該高速公路路面容許拉應(yīng)力0.22 MPa，此時(shí)該路面會(huì)發(fā)生開(kāi)裂。 由此說(shuō)明該高速公路路面出現(xiàn)開(kāi)裂主要是由于車(chē)輛荷載偏載造成的。

4 不中斷交通路基加固研究

4.1 不中斷交通路基加固方法分析

由于該高速公路途經(jīng)沿海經(jīng)濟(jì)較為發(fā)達(dá)區(qū)域，交通量飽和度較大，且周邊區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展對(duì)該高速公路的依賴性較強(qiáng)，一旦對(duì)該高速公路進(jìn)行全封閉不僅會(huì)阻礙周邊區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，影響周邊居民的出行，而且封閉該高速公路導(dǎo)流出來(lái)的巨大交通量會(huì)對(duì)附近的高速公路、 國(guó)道、省道等備選路網(wǎng)產(chǎn)生較大的沖擊[5]。 因此，綜合考慮路面開(kāi)裂成因分析結(jié)果、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際交通條件和現(xiàn)有路基加固方法， 設(shè)計(jì)了不中斷交通的路基卸載+坡腳反壓的加固方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述在不中斷交通的前提下的路基卸載+坡腳反壓的加固方法，需開(kāi)展以下幾個(gè)重要施工工序。 首先是優(yōu)化道路斷面和進(jìn)行交通導(dǎo)流，具體做法是將既有道路斷面形式——0.75 m(土路肩)+4.75 m(硬路肩)+4×3.75 m(行車(chē)道)+4.75 m(硬路肩)+0.75 m (土路肩)(圖1)， 優(yōu)化設(shè)計(jì)為4.75 m(卸載區(qū))+0.75 m(土路肩)+3.5 m(硬路肩)+4×3.75 m(行車(chē)道)+1.25 m(路緣帶)+0.75 m(土路肩)(圖8)。

其次是進(jìn)行路基卸載與反壓，具體做法是對(duì)第四車(chē)道側(cè)的硬路肩和土路肩進(jìn)行開(kāi)挖，開(kāi)挖寬度為4.75 m，開(kāi)挖坡度為1∶1.75，該坡度相比路基原邊坡坡度有所減緩，同時(shí)將卸載區(qū)域開(kāi)挖出來(lái)的土方用于坡腳反壓，路基卸載與反壓具體尺寸見(jiàn)圖9。

圖8 優(yōu)化設(shè)計(jì)后的道路斷面

圖9 路基卸載+坡腳反壓工況模擬

最后是進(jìn)行路面裂縫處治， 根據(jù)圖2 可以看出，該高速公路路面裂縫基本貫通，且裂縫寬度和深度相對(duì)較大，因而路面裂縫處治的具體做法采用豎向花管注漿方法對(duì)路面裂縫進(jìn)行閉縫處理，并增強(qiáng)兩側(cè)路基土體的粘結(jié)強(qiáng)度。 注漿花管平面布置為2 m×2 m，孔深在1.5～2.5 m 范圍內(nèi)，排列方式采用梅花形，路面裂縫封閉處理施工工藝見(jiàn)圖9(a)。

4.2 加固效果分析

圖10 加固后受力性能分析

的變形狀況。 該高速公路路面應(yīng)力則由0.260 MPa降低至0.165 MPa， 此時(shí)路面應(yīng)力值小于該高速公路路面容許拉應(yīng)力0.22 MPa，說(shuō)明該高速公路采用路基卸載+坡腳反壓方法加固后， 即使后期硬路肩有重載車(chē)輛滯留，該路面也不會(huì)發(fā)生開(kāi)裂。 綜合可以看出， 路基卸載+坡腳反壓加固方法不僅能夠改善該高速公路路基、路面和地基的變形，而且能夠提高其承載能力。

此外，通過(guò)對(duì)加固后的該高速公路路面進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)可知，加固后的該高速公路路面后期尚未出現(xiàn)新開(kāi)裂的裂縫。 由此說(shuō)明，采用路基卸載+坡腳反壓方法對(duì)該高速公路路面進(jìn)行加固能夠有效改善路面的受力性能和提高路面的耐久性。

5 結(jié)論

(1)車(chē)輛荷載的作用會(huì)增大該高速公路的變形和應(yīng)力；當(dāng)硬路肩位置有車(chē)輛滯留時(shí)(處于偏載狀態(tài))， 該高速公路路面應(yīng)力會(huì)由0.177 MPa 增大至0.260 MPa，超過(guò)路面容許拉應(yīng)力值0.22 MPa，進(jìn)而造成路面開(kāi)裂，即該高速公路交通量存在偏載是造成路面開(kāi)裂的主要原因。

(2)采用路基卸載+坡腳反壓加固方法能夠有效降低該高速公路的變形和路面應(yīng)力狀況，路面應(yīng)力可由0.260 MPa 降低至0.165 MPa， 即采用路基卸載+坡腳反壓方法加固后，該高速公路后期硬路肩即使有車(chē)輛滯留， 該路面也不會(huì)發(fā)生開(kāi)裂。由此說(shuō)明路基卸載+坡腳反壓加固方法不僅能夠改善該高速公路的變形， 而且能夠提高其承載能力。此外，通過(guò)分析后期監(jiān)測(cè)結(jié)果，證明了路基卸載+坡腳反壓加固方法的適用性和可行性。