在广佛高速公路扩建等工程实施过程中发现, 由于原有路基经过多年运营, 沉降已基本完成, 在其边坡上进行扩建填筑, 新填的土方和运营后的汽车荷载必然会引起既有路基的附加沉降, 并且在新老路基之间产生相对过大的差异沉降, 进而会引起既有路基变形。由于新老路堤的相互影响, 荷载施加的不规则等等因素, 对拓宽公路工程的常规理论计算变得相当困难, 过于简化计算条件而得到结果将存在极大误差。
目前, 国外对于软土地基上高速公路拓宽工程的理论研究, 大多建立在离心模型试验和有限元模拟分析的基础之上。1999年美国普渡大学的Richard J.Deschamps等人对一般拓宽路基进行了研究, 提出了拓宽路基的设计指南和施工步骤, 但并未涉及软土地基上路基拓宽的问题。国内由于高速公路拓宽工程刚刚起步, 相关的理论研究更是存在着不足, 需要作深入系统的研究。
本文采用有限元模拟分析道路拓宽工程采用排水固结法对软土地基进行处理时地基土的变形规律, 对原有道路结构的影响及拓宽路面的影响, 探讨了排水固结法用于道路拓宽工程的可行性。
根据本工程的软土分布特点和拟采用软土处理措施, 以及路堤拓宽标准断面, 选择了典型计算断面, 各断面的土层分布和路堤尺寸如图1。
有限元网格采用平面四边形四节点等参单元, 各计算断面网格划分图如2:
计算工况如下:
原有路基处理:塑料排水板 (间距1.0m) +砂垫层50cm;
拓宽路基处理:塑料排水板 (间距1.0m) +砂垫层50cm;
路堤分层填筑, 路堤填土按10d0.5m的填筑速度进行。
排水板的作用通过增大地基土的竖向渗透系数来模拟, 不考虑排水体强度对地基强度的影响。
主要的计算参数见下表。
A断面拓宽路基采用排水固结法处理时沉降云图如下3:
拓宽公路路基的最大沉降位置在老路堤边坡下部, 基本以老路基的坡脚为中心以近似圆弧发散的形式向四周发散递减, 其中新路堤下一侧沉降变化速率较大, 在新路堤坡脚约5m位置地基土向上鼓起。而在老路堤一侧, 沉降以边坡角位置向路中心逐渐减少。沉降云图显示新路堤的拓宽对老路堤的附加沉降不容忽视。
地面处的沉降曲线如图4:
最大沉降发生在距路中心约25m位置, 最大沉降量25cm, 老路中心也不同程度地发生一定的附加沉降, 沉降量4cm。在路堤外侧地面向上鼓起。全断面地面的沉降曲线形态呈“W”形, 路中心沉降小, 拓宽路基沉降大, 路堤外侧沉降小, 路堤外侧5m左右出现地面向上鼓起。最大沉降点向路中心沉降逐渐减少, 曲线基本呈线性;最大沉降点向路外侧沉降减少较快, 曲线基本呈线性陡降。
从沉降曲线可以看出, 新加路堤引起的沉降主要发生在距路中12~30m范围, 所以, 如果对这一范围加固可以取得较好的加固效果。
老路面的沉降曲线如图5:
从老路面的沉降曲线, 可以看出新拓宽路堤对老路面沉降的影响。老路面沉降曲线呈抛物线形, 与新路接缝处沉降最大, 路中心沉降最小, 曲线由路中向接缝处逐渐变陡。老路面沉降比 (沉降曲线斜率) 如图6:
由老路面沉降的曲率图可以看出, 在新路堤的影响下路拱横坡度增大值在靠近新老路堤接缝处范围均较大, 超过路基规范0.5%的规定, 可能导致老路面开裂。
图7和图8为路基拓宽前后有效应力矢量图。
拓宽路堤荷载作用下, 老路堤和地基土应力状态被改变, 应力重新分布, 对比观察路基拓宽前后有效应力分布矢量图, 可以得出以下几点:
(1) 砂垫层中存在较大的水平向的有效应力;
(2) 各断面在路堤拓宽后, 在老路堤顶部均不同程度地产生较大的水平向的拉应力, 新路堤的填筑对老路面会产生不良影响。
图9为路基附加应力矢量图。
由附加应力矢量图, 拓宽路堤荷载的作用下, 对地基土会产生一定的附加压应力, 对老路堤上部会产生较大的水平向拉应力, 老路堤填土中以压应力为主, 砂垫层中靠近路中有较大的水平向附加压应力产生, 而靠近老路坡脚处有较大的近水平向附加拉应力。拓宽路堤下地基土中也有较大的附加应力。
路基拓宽后最大剪应力云图如图10:
最大剪应力云图显示:
(1) 砂垫层中存在较大的剪应力。
(2) 拓宽路堤边坡下部存在较大剪应力。
从前面的有效应力矢量图、附加有效应力矢量图、最大剪应力云图可知, 拓宽路堤将会改变拓宽前地基土和老路堤中的应力状态。老路堤经过拓宽后两侧相当于增加了一块反压护道, 其稳定性理应有所提高。稳定性问题主要集中在新加路堤中, 在剪应力云图中, 新加路堤坡脚处有较大的近似与坡面平行的剪应力分布, 可能造成新路堤沿坡面的滑动破坏, 因而在新加路堤下部宜设土工格栅增加路堤的整体稳定性。而地基土的稳定性, 实际施工的“薄层轮加法”可以很好的利用地基土排水固结, 强度提高的规律, 基本可以解决地基土稳定问题。总体上来说, 拓宽工程因其荷载特点以及现有的施工技术水平, 稳定性问题已经不是主要矛盾, 但在路堤拓宽施工时仍应加强施工监测, 控制加载速率。
拓宽路堤填土荷载全部施加时软土层中超静孔隙水压力云图如图11。
由云图可知, 在拓宽路堤荷载作用下, 地基土中产生较大的超孔隙水压力, 最大压力值基本位于拓宽路堤底面中心下软土层中。超孔隙水压力的分布是不均匀的, 基本以最大孔压点向四周减少, 老路基地基土中也会产生较大的超孔隙水压力。老路基地基土中的超孔隙水压力会使老路基土产生新的固结沉降, 而超孔隙水压力分布的不均匀性会使产生不均匀的沉降。
为观察超孔隙水压力的消散, 计算选取一些节点观察其随时间的变化, 超孔压计算点如表1。
从超孔隙水压力计算结果可以看出:随着填土荷载的增加, 软土中的超孔隙水压力呈阶梯式上升, 填土完成后孔隙水压力随时间逐渐消散。最大超孔隙水压力值出现在填土满荷载时, 其数值为15~25k Pa, 约为上部有效荷载0.25~0.35倍。孔压消散与淤泥层厚度、排水边界条件稍有不同, 计算断面填土施工期每级荷载施加后孔压消散较慢;
软土计算固结度如图13:
软土在填土施工期, 由于计算填土荷载施加较快 (0.5m/10d) , 完成固结程度较低, 固结度15%~25%, 满载后300d内主固结基本完成, 固结度达到90%以上。
从模拟计算的超孔隙水压力变化结果可知, 拓宽路堤荷载下使用排水固结法处理软土地基会导致软土中产生较大的超静孔隙水压力, 随着孔压的消散, 软土会产生较大的固结沉降, 引起路面结构的不均匀沉降。
通过本章的模拟分析, 本章主要得出以下结论:
(1) 采用排水固结法处理的老路堤, 其在原有荷载下的固结已经完成。采用排水固结法处理拓宽路堤软土地基会对老路堤带来较大的附加沉降, 最大沉降位置在老路堤边坡下部, 基本以老路基的坡脚为中心以近似圆弧发散的形式向四周发散递减, 沉降会造成老路面结构的破坏。
(2) 由于拓宽路堤荷载的作用, 地基中部分土体向路中心方向变形, 部分土体向外侧挤出, 两者的分界线为通过老路堤坡脚向内与竖向线大致成45°~60°角的近似直线。
(3) 拓宽路堤荷载下使用排水固结法处理软土地基会导致软土中产生较大的超静孔隙水压力, 随着孔压的消散, 软土固结, 老路面中心路面会产生一定的附加沉降, 老路肩处会产生较大的附加沉降, 沉降的不均匀将引起路面结构的破坏。计算条件下老路面中心路面产生的附加沉降为1~8cm, 老路肩处产生的附加沉降为8~16cm。
摘要：采用数值模拟方法, 分析道路拓宽工程采用排水固结法对软土地基进行处理时地基土的变形规律, 对原有道路结构的影响及拓宽路面的影响, 探讨了排水固结法用于道路拓宽工程的可行性。
关键词：软土地基,扩建,高速公路,排水固结法,数值模拟
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