柴 廣

(貴州路橋集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550000)

高速公路高填方路基變形特性及控制對策

柴 廣

(貴州路橋集團(tuán)有限公司，貴州 貴陽 550000)

依托某高速公路為工程背景，借助ABAQUS有限元軟件建立路基分級填筑動態(tài)數(shù)值模型，對填土高度為18.6 m的路基分級填筑過程中的變形特性進(jìn)行分析。同時，結(jié)合長期工程實踐經(jīng)驗，提出有利于保障高填方路基穩(wěn)定性的技術(shù)措施，并結(jié)合計算結(jié)果對保障措施控制效果進(jìn)行驗證。

高速公路；高填方路基；變形特性；數(shù)值模型；實測數(shù)據(jù)

0 引 言

截止2016年統(tǒng)計，我國高速公路通車?yán)锍桃堰_(dá)11.2 km，居世界領(lǐng)先地位。考慮我國幅員遼闊，南部地質(zhì)條件差異較大，人口密度較高、交通量大等特點，我國快速發(fā)展的高速公路項目側(cè)面亦驗證了其建造技術(shù)處于較高水準(zhǔn)。然而，隨著工程建設(shè)的復(fù)雜性和設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，工程實踐仍面臨著諸多問題有待解決。如：填土高度較高路基的變形特性以及其長期的穩(wěn)定性能等。

通常，路基填土高度≤2.5 m路基稱為低路堤路基，填土高度≥18 m(土質(zhì))或20 m(石質(zhì))的路基稱為高填方路基。國內(nèi)外工程實踐表明，高速公路多為低路堤，主要由于人口密度較小，無需考慮設(shè)置地下通道等，且低路堤具有工程造價相對較低，占地及所需填料相對較小等優(yōu)點。我國高速公路路堤填土高度處于2.5～8 m較多，主要考慮設(shè)置線性地下通道，便于既有交通通過。21世紀(jì)前期，既有線路基本與地表高度相同，設(shè)置地下通道高度(約4.5 m)要求新建路基填土高度≥8 m基本滿足要求。然而，進(jìn)入21世紀(jì)后期，既有線路常為高速公路，跨越較大高度既有路基常需借助橋梁結(jié)構(gòu)，而與橋梁結(jié)構(gòu)銜接仍需較高填方路堤。也因此，高度≥18 m的路堤工程實踐中偶有發(fā)生。然而，填土高度的增加所帶來的建設(shè)難度也相應(yīng)增加，其中如何控制分級填筑過程中的路基變形特性已經(jīng)成為工程界面臨的主要問題之一。

針對以上問題，工程界結(jié)合多種方法進(jìn)行了一些探討性研究，并獲取一切結(jié)論。常見的研究方法包括：理論分析、現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬等。理論分析簡化較多，且大量計算需借助計算機(jī)進(jìn)行，精度也較難保證；現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)最為真實寶貴，但測試費(fèi)用一般較高，且具有明顯的地域工程背景，進(jìn)行多工況對比分析可行性較低；隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，借助數(shù)值模擬對其分析已經(jīng)成為目前主要的途徑之一。其主要優(yōu)點在于可以實現(xiàn)多工況分析，針對以往無限域地基模擬問題可借助更大模型尺寸實現(xiàn)，且計算參數(shù)亦可結(jié)合土工試驗選取，同時計算所需成本較低，便于向科研人員應(yīng)用推廣。

基于此考慮，依托工程實例，借助有限元軟件ABAQUS建立路基分級填筑動態(tài)數(shù)值模型，對填土高度為18.6 m的路基分級填筑過程中的變形特性進(jìn)行分析。同時，結(jié)合長期工程實踐經(jīng)驗，提出有利于保障高填方路基穩(wěn)定性的技術(shù)措施，并結(jié)合計算結(jié)果對保障措施控制效果進(jìn)行驗證，能夠為類似工程實踐提供參考依據(jù)。

1 工程概況及土層工程特性

某高速公路DK23+101.2～DK23+151.5區(qū)間為路橋過渡段，最低填土高度18.2 m，最高填土高度為19.0 m，平均填土高度18.6 m。設(shè)計雙向4車道，路堤填土頂面寬為20 m。地基土層從上至下依次為：(1)雜填土：普遍分布，厚度0.30～0.80 m，平均層厚0.55 m。松散、力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定。(2)含礫粉質(zhì)黏土：層厚17.40～20.80 m，平均層厚19.10 m。松褐黃色～棕黃色，硬塑，以黏性土為主，地基承載力176 kPa。(3)灰?guī)r：青灰色，弱風(fēng)化，巖溶發(fā)育，承載力780 kPa。結(jié)合現(xiàn)場原位和室內(nèi)土工試驗，對含礫粉質(zhì)黏土基本物理力學(xué)特性進(jìn)行分析，如表1所示。

表1 含礫粉質(zhì)黏土主要基本物理力學(xué)參數(shù)

2 路基分層填筑過程挖數(shù)值模擬分析

借助有限元分析軟件ABAQUS，建立路基—地基二維數(shù)值模型，對路基分層填筑過程中路基變形特性進(jìn)行分析。

2.1 數(shù)值模型建立

為模擬地基無限域問題，盡可能擴(kuò)大地基模型尺寸，結(jié)合文獻(xiàn)建議，地基模型取100 m寬，深度取30 m。路堤填土高度同設(shè)計值，取18.6 m。模型采用STRUCTURE(結(jié)構(gòu)化)劃分技術(shù)劃分；土體采用C4PER(4節(jié)點平面應(yīng)變縮減積分單元)單元模擬；模型兩側(cè)限制法向約束，底邊采用固定約束；土體本構(gòu)模型選為摩爾-庫倫。計算所需參數(shù)如表1所示。

2.2 計算結(jié)果及分析

路基填筑是分級進(jìn)行，填土厚度結(jié)合室內(nèi)實驗確定。路基每填筑一層土，采用機(jī)械壓實并測試壓實度等相關(guān)指標(biāo)。為盡可能模擬實際工況，數(shù)值模擬中將每層填土定義為0.5 m，然后通過設(shè)置不同的分析步，實現(xiàn)每個分析步填筑0.5 m動態(tài)填筑過程。數(shù)值模擬中，路基填筑動態(tài)過程通過“生死”單元進(jìn)行模擬。第一步：首先將路堤填土高度單元“殺死”，對初始地基應(yīng)力場進(jìn)行平衡；第二步：“激活”0.5 m填土高度。然后，逐步激活直到路基填筑結(jié)束。圖1為數(shù)值模擬動態(tài)填筑過程中豎向變形云圖。

圖1 不同填土高度時路基豎向變形云圖

由圖2可知：路基的變形隨填筑高度增加施工動態(tài)過程；填土高度越高，上部荷載越大，相應(yīng)地基變形越高；路基動態(tài)填筑過程中，增加荷載對地基附加應(yīng)力主要體現(xiàn)在路堤底部對應(yīng)地基區(qū)域，也因此地基變形主要體現(xiàn)在該區(qū)域，形成沉降“盆”。路基填土過程中地基的變形特性可借助圖3分析。

圖2 不同填土高度地表橫向沉降變化曲線

考慮路基模型的對稱性，僅取路基中心左側(cè)地表橫向沉降曲線進(jìn)行分析。由圖3可知：隨路堤填筑高度增加，地表橫向沉降逐漸增大；填筑高度為4 m、8 m、12 m、16 m和18.6 m時，路基中心地表最大沉降值依次對應(yīng)為25.3 cm、28.2 cm、31.3 cm、33.9 cm和36.2 cm，相應(yīng)依次增加2.9 cm、3.3 cm、2.6 cm和2.3 cm，平均路基填土每增加1 m對應(yīng)地表沉降最大值增加1.95 cm。

3 保障高路堤穩(wěn)定性的技術(shù)措施

僅從數(shù)值模擬結(jié)果來看，路基分層填筑過程中地基沉降增長速率基本穩(wěn)定，累積沉降最大值小于40 cm。然而，考慮到數(shù)值模型建立在諸多假設(shè)簡化基礎(chǔ)上，還需結(jié)合其他措施來提高路堤整體穩(wěn)定性。

結(jié)合實際工況，保障高路堤穩(wěn)定性技術(shù)措施可分為三大類：(1)護(hù)坡設(shè)計。提高高路堤邊坡支護(hù)強(qiáng)度，可選取適當(dāng)間隔，進(jìn)行土釘支護(hù)；(2)排水設(shè)計。完善排水系統(tǒng)，降低因極端降雨環(huán)境與交通荷載的疊加作用對路基的破壞；(3)加筋設(shè)計。每填筑高度4 m，可設(shè)置一層土工格柵，提高路堤整體穩(wěn)定性。

結(jié)合上述建模方式，對采取加筋設(shè)計路堤的整體穩(wěn)定性進(jìn)行計算，對其加固效果進(jìn)行評估。計算過程中，借助邊坡穩(wěn)定性分析的強(qiáng)度折減法，計算出相應(yīng)安全系數(shù)，可以直觀對其穩(wěn)定性進(jìn)行量化評估。

圖3 路堤塑性區(qū)分布云圖

由圖3可知：高路堤失穩(wěn)時塑性區(qū)分布特征，主要沿路堤頂部至坡腳破壞。結(jié)合表2安全系數(shù)對比可知：采用土工格柵(抗拉強(qiáng)度設(shè)計值20 kN/m)在一定程度上可以起到加固高路堤穩(wěn)定性目的；相比未設(shè)置土工格柵同等高度路堤，設(shè)置土工格柵后安全儲備可提高22%左右。

表2 安全系數(shù)計算結(jié)果對比

4 結(jié) 論

(1)路基變形隨填土高度增加施工動態(tài)過程，主要變形位于路堤下方，呈“盆”狀分布特性。

(2)填筑高度為4 m、8 m、12 m、16 m和18.6 m時，路基中心地表最大沉降值依次對應(yīng)為25.3 cm、28.2 cm、31.3 cm、33.9 cm和36.2 cm，相應(yīng)依次增加2.9 cm、3.3 cm、2.6 cm和2.3 cm，平均路基填土每增加1 m對應(yīng)地表沉降最大值增加1.95 cm。

(3)結(jié)合“護(hù)坡設(shè)計”、“排水設(shè)計”和“加筋設(shè)計”三方面探討了保障高路堤穩(wěn)定性的技術(shù)措施。數(shù)值計算結(jié)果顯示，相比未設(shè)置土工格柵同等高度路堤，設(shè)置土工格柵后安全儲備可提高22%左右。

[1] 劉軍，馮五一.渝西地區(qū)高速公路排水設(shè)計[J].交通標(biāo)準(zhǔn)化，2009,(23)：226.

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Adissertationondeformationcharacteristicsandcontrolcountermeasuresofhighfillroadbedinhighway

CHAI Guang

(Guizhou Road & Bridge Group,Guiyang,Guizhou 550000，China)

The ABAQUS finite element software is used to build the dynamic numerical model of subgrade filling, and the deformation characteristics of the roadbed grading process with the height of 18.6m are analyzed. At the same time, combined with the experience of long-term engineering practice, the paper puts forward the technical measures to ensure the stability of the high embankment foundation, and combine the calculated results to verify the control effect of the safeguard measures.

highway; high embankment subgrade; deformation characteristics; numerical model; measured data

2017-03-28

柴廣(1991-)，男，貴州石阡人，助理工程師，研究方向：高速公路施工。

TU457

A

1008-3383(2017)10-0006-02