張繼炯

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司,山西 太原 030012)

山西省分布著大范圍的黃土，它具有十分特殊的工程性質(zhì)。目前最常見的黃土拼寬路基處治方式是開挖臺階配合格柵，但在以往工程中發(fā)現(xiàn)，隨著使用年限的不斷增長，黃土拼寬路基在使用中出現(xiàn)了路基沉陷、翻漿及差異沉降引起的路面開裂等病害。在農(nóng)村公路中，這種現(xiàn)象更為顯著，因此，研究農(nóng)村公路黃土拼寬路基的處治措施和沉降特性具有十分重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

《小交通量農(nóng)村公路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T3311—2021)[1]6.5.3中推薦采用臺階拼接和土工合成材料來保證路基強(qiáng)度和穩(wěn)定性，但是描述不夠詳細(xì)，具體臺階設(shè)置尺寸和合成材料沒有具體給出，因此，對于農(nóng)村公路拼寬路基處治方式需要具體問題具體分析，給出合適的處治方案。

張宗恩[2]指出，農(nóng)村公路的線路比較長，涉及地區(qū)較廣，地質(zhì)和地形方面有很大差別，且拼寬寬度小，因此，要充分考慮工程具體情況，因地制宜；同時(shí)，農(nóng)村公路的建設(shè)成本較低，要充分考慮新老路基拼接方案的材料價(jià)格和施工難度，降低成本，使得設(shè)計(jì)方案符合工程應(yīng)用需要。

在農(nóng)村公路的填方工程施工中，施工周期很短，施工設(shè)備、人員和成本投入小，從而造成拼寬效果較差，同時(shí)，因就地取材、高挖低填，使得填料復(fù)雜，導(dǎo)致相同工藝下不同的壓實(shí)效果。現(xiàn)有的道路設(shè)計(jì)對農(nóng)村公路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)較低，且推薦方案較少，本文依托實(shí)體工程，先對當(dāng)?shù)赝翗舆M(jìn)行試驗(yàn)研究，從低成本的提高壓實(shí)度的處治措施應(yīng)用角度，得出黃土地區(qū)路基填料的力學(xué)參數(shù)隨壓實(shí)度的變化規(guī)律，提出提高農(nóng)村公路路基壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)，組合設(shè)置高度為1.2 m的臺階，以適應(yīng)山西省農(nóng)村公路高填方路基拼寬的需要，在拼寬寬度小、雙側(cè)加寬或施工作業(yè)面狹窄的局部區(qū)段，可考慮采用輕質(zhì)泡沫混凝土拼寬路基，以可接受的成本獲得更好的路基拼寬效果。

本文利用有限元法對上述不同處治措施下的農(nóng)村公路拼寬路基方案展開了對比研究，其成果可為同類工程選擇合理的拼寬路基處治措施提供參考。

1 農(nóng)村公路拼寬路基模型建立

1.1 路基路面基本情況

在收集并整理了近年來山西省農(nóng)村公路典型的拼寬改造設(shè)計(jì)資料后，本文選取了山西省武鄉(xiāng)縣大活莊—王莊溝線農(nóng)村公路拓寬改造工程作為典型進(jìn)行研究。

該工程為舊路拓寬改造工程，舊路的路基寬度為4.5 m，路肩寬度0.5 m，路基邊坡坡度為1:1.5，原路面結(jié)構(gòu)為18 cm水泥混凝土面層+15 cm砂礫基層，如圖1所示。

舊路升級改造采用單側(cè)挖臺階加寬形式，先由舊路路肩處向下開挖50 cm，下部30 cm為換填砂礫，上部18 cm留作水穩(wěn)砂礫底基層，向下的臺階高度依次為1.2 m，新舊路基在臺階處相搭接，單側(cè)加寬后的路基邊坡與舊路基相同。路面結(jié)構(gòu)如圖1所示。

新路的路基寬度為6.5 m，雙向兩車道，車道寬度3.0 m，路肩寬度0.25 m。舊路的水泥面層和新鋪筑的水穩(wěn)砂礫構(gòu)成了新農(nóng)村路的18 cm底基層，路面結(jié)構(gòu)向上依次為18 cm水泥穩(wěn)定碎石基層、5 cm AC-16瀝青混凝土下面層、4 cm AC-13瀝青混凝土上面層。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 農(nóng)村路拼寬路基路面設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design drawing of rural road widening subgrade and pavement

1.2 路基土特性

山西農(nóng)村公路路基填料以黃土為主，大活莊—王莊溝線全線均被黃土覆蓋，將挖方黃土作為路堤填料，在研究農(nóng)村公路拼寬路基處治措施時(shí)，需要研究黃土的強(qiáng)度和變形特性。

根據(jù)公路土工試驗(yàn)規(guī)程(JTG E40—2007)[3]的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對土樣進(jìn)行土工參數(shù)試驗(yàn)，得到典型土樣的最大干密度和最佳含水率以及黃土的壓實(shí)度與力學(xué)參數(shù)的相關(guān)關(guān)系及其變化規(guī)律，見圖2和表1。最佳含水率為12.2%，最大干密度為1.948 g/m3。

圖2 含水率與干密度關(guān)系圖Fig.2 Relationship between moisture content and dry density

表1 壓實(shí)填土參數(shù)Tab.1 Compacted fill parameters

1.3 農(nóng)村公路路基拼寬主要處治措施

受限于地方經(jīng)濟(jì)狀況與成本因素，農(nóng)村公路路基拼寬處治措施的選擇具有很大的局限性。本文基于山西省目前主流的設(shè)計(jì)方案，結(jié)合低成本及特殊區(qū)段應(yīng)用，選擇了4種主要處治措施在單側(cè)拼寬的情況下應(yīng)用作對比研究。

1.3.1 提高壓實(shí)度

關(guān)于路基壓實(shí)度的控制，《小交通量農(nóng)村公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG 2111—2019)[4]中規(guī)定的控制標(biāo)準(zhǔn)較為詳細(xì)，但是在壓實(shí)度的要求不是很高，因此要盡可能高的控制路基的壓實(shí)度。工程施工中表明，采用強(qiáng)夯法沖擊壓實(shí)法或分層填筑壓實(shí)來銜接新老路基接觸面，可以提高固結(jié)的速度和提升路基抗變形效果。目前，我國相關(guān)規(guī)范中，對路基壓實(shí)度的要求見表2。

表2 JTG 3311—2021對路基壓實(shí)度的要求Tab.2 Requirements for subgrade compactness in JTG 3311—2021

1.3.2 臺階開挖

在工程中,設(shè)置臺階能夠降低坡度，提高抗滑性能，增加路基的穩(wěn)定性和密實(shí)度；又能擴(kuò)大新舊路基的接觸面積，使得新舊路基能夠良好銜接。設(shè)置臺階分為開挖方式和臺階高寬比的確定兩個(gè)方面。臺階的開挖方式通常是內(nèi)傾式臺階，魏佩順[5]研究了臺階的高寬比設(shè)置，認(rèn)為臺階的高寬比應(yīng)與路堤邊坡坡度一致。目前設(shè)計(jì)方案中，一般采用1.2 m的臺階高度，高寬比與路堤邊坡坡度一致。

1.3.3 應(yīng)用土工合成材料

土工合成材料的主要是為了改善路基的應(yīng)力狀態(tài)，來減小差異沉降，控制路面?zhèn)认蜃冃我院图訌?qiáng)壓實(shí)效果。Forshman等[6]的研究表明土工合成材料可以減少路基頂面與路面底部交界處的病害，效果與材料的強(qiáng)度有關(guān)，研究了路面設(shè)置了土工格柵的處治效果，表明土工格柵可以有效改善拼寬路面的穩(wěn)定性；崔春義等[7]認(rèn)為土工格柵的筋材模量越高，加筋效果越明顯。本文結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益考慮，一般選擇模量為38 700 MPa左右的土工格柵。臺階頂面加設(shè)土工格式在目前的農(nóng)村公路拼寬路基設(shè)計(jì)方案中常配合臺階一起應(yīng)用。

1.4 模型與參數(shù)

1.4.1 基本假設(shè)

由于巖土工程十分特殊，土體有著非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，當(dāng)前條件下的模擬分析過程還不能完全模擬出實(shí)際中土體的所有性狀，參考高翔等[8]的工作，在模擬分析之前，要針對研究重點(diǎn)和當(dāng)?shù)貙?shí)際情況來簡化模型，針對此次模擬做出以下假定：(1)模擬過程中的土體為均質(zhì)、各向同性的彈塑性半無限空間體；(2)模擬過程中忽略地下水的影響，這在山西省氣候環(huán)境情況下基本合理；(3)填筑土體與地基土為同樣的黃土；(4)假設(shè)路基的材料參數(shù)在過程中保持不變。

1.4.2 計(jì)算參數(shù)取值

采用Mohr-Coulomb模型來模擬路基填料和地基土的性狀，使用流體滲透/應(yīng)力耦合模型來模擬地基土固結(jié)的過程，材料的強(qiáng)度參數(shù)參考土工試驗(yàn)和地質(zhì)勘察報(bào)告，泊松比參考規(guī)范，材料參數(shù)見表3。

表3 路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)Tab.3 Structural material parameters of pavement

1.4.3 建立模型

確定了路面材料參數(shù)取值，就可以利用ABAQUS軟件進(jìn)行仿真分析。圖1為ABAQUS有限元分析對象，圖 3為數(shù)值分析所采用的二維拓寬路基橫截面圖。道路采用單側(cè)拓寬，模型路面寬4.5 m，路堤邊坡角為 1∶1.5。拓寬后，路面寬 6.5 m，路堤邊坡為1∶1.5。道路路面厚度參考表3，從路基中線向外側(cè)計(jì)算區(qū)域取18 m，地基計(jì)算深度取10 m，劉銳[9]提出滿足沉降計(jì)算的精度要求需按照公式(1)確定地基的有效壓縮層厚度。

圖3 ABAQUS拼寬路基有限元模型Fig.3 ABAQUS finite element model of widening subgrade

(1)

式中：i為各層土的重度，N/m3；Hi為各層土的厚度，m。

彭丹[10]對加寬路堤進(jìn)行有限元分析，得出當(dāng)坡腳到邊界的距離應(yīng)當(dāng)不小于1.5倍坡高，坡頂?shù)竭吔绲木嚯x不小于2.5倍坡高。經(jīng)過試算，地基計(jì)算深度應(yīng)不小于9.14 m，坡腳到邊界的距離不小于7.5 m，坡頂?shù)竭吔绲木嚯x不小于12.5 m，所以該模型滿足此要求。

1.4.4 模型網(wǎng)格劃分

陳敬虞[11]提出由于分析路基的工后沉降需要模擬地基土的固結(jié)過程，使用“四結(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變四邊形單元，雙線性位移，雙線性孔壓(CPE4P)”；因此本研究也采用“四結(jié)點(diǎn)平面應(yīng)變四邊形單元，雙線性位移，雙線性孔壓(CPE4P)”，采用映射網(wǎng)格劃分計(jì)算模型。網(wǎng)格劃分情況如圖4所示。

圖4 有限元網(wǎng)格劃分Fig.4 Finite element mesh generation

1.4.5 模型邊界條件

模型的對稱面采用XSYMM邊界條件， 如圖5所示。側(cè)面禁止水平位移，底部禁止水平和垂直位移。在頂部設(shè)置極限條件，設(shè)置孔隙壓力為0。

圖5 路基路面模型邊界條件Fig.5 Boundary conditions of subgrade and pavement model

1.4.6 車輛荷載

參考陳忠達(dá)[12]對車輛荷載的設(shè)置，本文采用標(biāo)準(zhǔn)的雙輪組軸載( BZZ-100)，荷載以均布荷載施加在路面上，如圖6所示，在路表中間施加雙輪軸載。標(biāo)準(zhǔn)軸載0.7 MPa，按照靜力等效原則簡化為平面問題后，接地壓力為11 731 Pa/m。

圖6 路面模型所受軸載Fig.6 Axle load on pavement model

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 壓實(shí)度對沉降的影響

由于路基土的壓實(shí)度變化會(huì)影響黃土的一系列參數(shù)變化，通過節(jié)1.2對路基土特性試驗(yàn)，不同壓實(shí)度下路基土的參數(shù)參考表1。在經(jīng)過ABAQUS分析模擬沉降情況，得到黃土路基壓實(shí)度與路基沉降之間的關(guān)系。

為了清楚的分析拼寬路基在施工工程中的沉降狀況，模擬分析了土體的固結(jié)過程，分析了路面完工后一段時(shí)間的運(yùn)營工程，觀察路基的長期沉降狀況。

Hatami等[13]指出公路的壽命一般為15 a。對竣工時(shí)、工后1 a、工后7 a和工后15 a的豎向沉降和豎向應(yīng)力進(jìn)行了分析，當(dāng)填土壓實(shí)度為90%下，頂面沉降曲線如圖7所示。

圖7 頂面沉降曲線Fig.7 Settlement curve of top surface

由圖7可知，路堤拓寬后，舊路堤與新路堤的沉降存在明顯差異，路基加寬完成后，舊路堤中心線處的沉降非常小，但沉降從舊路堤的中心線到新路堤的路肩處的逐漸增加，因?yàn)榕f路堤下方地基區(qū)的土壤固結(jié)沉降已經(jīng)完成。在修筑完成后1 a內(nèi)，車輛荷載開始作用在路面上，以及地基在1 a時(shí)間內(nèi)的固結(jié)沉降，老路堤和新路堤的沉降變大。通過分析對比，施工后7 a和15 a的沉降情況變化不大，與施工后la基本相同，平均每年的沉降增量小于5 cm，符合《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2015)[14]中推算的工后沉降量小于設(shè)計(jì)容許值10 cm，同時(shí)要求連續(xù)2個(gè)月觀測的沉降量每月不超過5 mm，說明路基拓寬后只需1 a沉降已基本穩(wěn)定。填土壓實(shí)度為95%，98%，在運(yùn)營期的沉降變化與之類似，就不再贅述。

由上文所述，施工后7 a和15 a的沉降情況變化不大，與施工后l a基本相同，所以只列出不同壓實(shí)度填土下工后1 a的最大沉降。

如圖8所示，在車輛荷載作用下，90%、95%和98%壓實(shí)度下黃土路基沉降穩(wěn)定后的沉降值分別為 5.26、4.98和4.68 cm，差異沉降分別為2.03、1.96和1.85 cm。由此可知，黃土路基的壓實(shí)度越大，沉降量和差異沉降量越小，提高黃土路基壓實(shí)度能有效控制沉降。通過大活莊—王莊溝試驗(yàn)段路基施工的壓實(shí)度記錄檢測，路基的壓實(shí)度能夠達(dá)到98%?？紤]到現(xiàn)場施工狀況和設(shè)備問題，如果在提高壓實(shí)度至超過98%難度較大，且耗時(shí)過長，成本巨大，因此，可以提高拼寬路基的壓實(shí)度為98%以控制沉降。

圖8 填土壓實(shí)度與沉降量關(guān)系曲線Fig.8 Relation curve between fill compaction degree and settlement

2.2 路基開挖臺階的對比分析

由節(jié)2.1可知，路基填土的壓實(shí)度為98%時(shí)抗沉降效果最好，因此默認(rèn)設(shè)置填土壓實(shí)度為98%。對臺階開挖的高度不同，建立模型進(jìn)行模擬分析。臺階高度分別設(shè)置為80、100、120和140 cm，列出設(shè)置臺階工后1 a的云圖，豎向應(yīng)力云圖如圖9所示。

圖9 設(shè)置臺階高度為1.2 m竣工1 a時(shí)豎向位移云圖Fig.9 Vertical displacement cloud map after completion

經(jīng)過模擬分析，沉降曲線依呈“勺狀”分布，從舊路基中心到新路基沉降越來越大，沉降相比未設(shè)置臺階時(shí)的要小一些，新路堤的沉降減小最為明顯，由圖10可以看出，竣工時(shí)最大沉降隨著臺階高度的增加而減小，但從臺階高度為1.2 m時(shí)沉降減小趨勢變得平緩，考慮到施工時(shí)的開挖量以及成本，選取臺階高度為1.2 m。

圖10 臺階高度與沉降關(guān)系圖Fig.10 Relationship diagram between height of steps and settlement

由圖11可知，設(shè)置1.2 m臺階后工后1 a的最大沉降達(dá)到3.70 cm，比未設(shè)置臺階的最大沉降的4.68 cm小了0.98 cm；沉降穩(wěn)定后差異沉降為1.70 cm，比不設(shè)置臺階的差異沉降2.56 cm小0.86 cm，所以當(dāng)設(shè)置臺階高度為1.2 m時(shí)，可以有效地減小施工時(shí)的工后沉降，并在一定程度上減小差異沉降。

圖11 設(shè)置臺階與不設(shè)臺階沉降對比圖Fig.11 Comparison of settlement with and without steps

2.3 土工格柵對沉降的影響

經(jīng)過上面的分析，默認(rèn)設(shè)置填土的壓實(shí)度為98%，在拼寬路基的各結(jié)構(gòu)層加入了土工格柵，模量為38 700 MPa，其邊界條件、車輛軸載與無土工格柵時(shí)相同，如圖12所示；此外，在新老路基結(jié)合部設(shè)置高度為1.2 m的臺階，在設(shè)置臺階的基礎(chǔ)上，對設(shè)置臺土工格柵時(shí)的沉降進(jìn)行分析， 分析結(jié)果如圖12所示。

圖12 土工格柵布置圖(紅線為土工格柵)Fig.12 Geogrid layout drawing (red lines are the geogrids)

由圖13可以看出，只設(shè)置土工格柵工后1 a最大沉降為4.48 cm,差異沉降為2.49 cm,比只采用98%壓實(shí)度填土?xí)r最大沉降小了0.20 cm，差異沉降小了0.07 cm，同時(shí)設(shè)置格柵和臺階工后1a最大沉降為3.48 cm，差異沉降1.53 cm，比只設(shè)置臺階時(shí)竣工時(shí)最大沉降小了0.22 cm，差異沉降小了0.17 cm，因此可以得出，設(shè)置土工格柵可以減小沉降，但其影響效果沒有設(shè)置臺階顯著，考慮施工成本，可不設(shè)置土工格柵。

圖13 土工格柵與工后1 a沉降量關(guān)系曲線圖Fig.13 Curve diagram of relationship between geogrid and settlement

因此，對于農(nóng)村黃土路基改擴(kuò)建差異沉降的推薦處治方法為開挖時(shí)設(shè)置高度為1.2 m的臺階，提高拼寬路基壓實(shí)度為98%。

2.4 數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證

為了驗(yàn)證路基沉降預(yù)測模型的準(zhǔn)確性，通過數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與大活莊—王莊溝試驗(yàn)段(采用98%壓實(shí)度填土，設(shè)置高度1.2 m臺階)現(xiàn)場得豎向沉降位移進(jìn)行了對比分析，對比曲線如圖14所示。

圖14 模型預(yù)測沉降與實(shí)測沉降關(guān)系圖Fig.14 Relationship between model predicted settlement and measured settlement

從圖14中可以看出，現(xiàn)場沉降實(shí)測值與有限元計(jì)算值比對的沉降變化趨勢一致，驗(yàn)證了數(shù)值模型的有效性。

2.5 不同路基拓寬寬度的影響分析

因?yàn)楸疚囊詫?shí)例的基本參數(shù)進(jìn)行模擬分析，為了提升結(jié)果的適用性和指導(dǎo)性，選取3.75、5、7.5 m等不同拓寬寬度，設(shè)置高度1.2 m臺階，填土壓實(shí)度為98%，對路基沉降變形的影響進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，模擬結(jié)果如圖15所示。

圖15 不同拓寬路基工后1 a的沉降曲線Fig.15 Settlement curve of different widened subgrade after one year

從圖15中可以看出，路基從3.75 m拓寬到7.5 m，沉降越來越大，隨著拓寬寬幅的增加，地基所承受的荷載也增加，同時(shí)對老路基的附加應(yīng)力也變大，進(jìn)而使得坡腳沉降量增加；因此，在增加路基沉降量的同時(shí)也加劇了新老路基的差異沉降，但基本的沉降曲線相似，沉降規(guī)律一致。

3 結(jié)論

本文采用模擬分析法對黃土農(nóng)村公路路基改擴(kuò)建差異沉降處治方法進(jìn)行了分析，主要結(jié)論有：

1)增加黃土路基壓實(shí)度能有效減小沉降，提高拼寬路基壓實(shí)度為98%時(shí)抗沉降效果最好。與壓實(shí)度90%的路基相比，減小了11%的沉降和9%的差異沉降。

2)通過數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，工后7 a和15 a的位移情況變化不大，基本與工后1a時(shí)一致，說明路基拓寬后只需1 a沉降已基本穩(wěn)定。

3)設(shè)置高度為1.2 m的臺階能有效減少20%的沉降和34%的差異沉降。

4)采用土工格柵也能提高抗沉降表現(xiàn)，但效果并不顯著?？紤]到施工成本問題，可不設(shè)置土工格柵。

5)通過數(shù)值模擬計(jì)算沉降結(jié)果與試驗(yàn)段實(shí)測沉降結(jié)果對比，得出現(xiàn)場沉降實(shí)測值與有限元計(jì)算值比對的沉降變化趨勢一致，驗(yàn)證了數(shù)值模型的有效性。

6)對于農(nóng)村黃土路基改擴(kuò)建差異沉降的推薦處治方法為開挖時(shí)設(shè)置高度為1.2 m的臺階， 提高拼寬路基壓實(shí)度為98%。