作者：刘海军郭呈周肖昭然摘要:以连霍高速公路加宽工程为实例,研究了该工程的加宽设计、施工方法,并对典型断面的施工效果进行数值模拟,对新老路堤的沉降变形性状以及新路堤地基处理方法进行了研究。
关键词:高速公路加宽;处理方法;数值分析
1引言
随着国民经济和城镇建设的高速发展,近十几年来我国高速公路建设十分迅猛,地区之间交通量也急剧增加,已建的大部分四车道高速公路不能满足日益增长的交通运输需求,高度公路加宽工程顺势快速发展起来,并逐渐成为我国公路建设所面临的迫切需要解决的问题。
但是,高速公路加宽工程的理论研究明显落后于施工。我国东部沿海省份高速公路加宽工程开展较早,已有许多研究者开展了这方面的研究[1~5],但这些高速公路大部分分布在软土地区,因此研究者主要开展了这类土质条件下的相关研究。河南省地处黄河中下游,含有大量的粉土、粉质黏土夹层土;另一方面,由于地理条件限制,高速公路很有很大一部分为山区高填方地段,这些都与东部沿海高速公路加宽工程有很大不同。因此,研究高速公路加宽对区域土高填方路基的变形特性影响具有重要意义。本文结合连霍高速公路横跨京广铁路两侧的高填方路基的工程,探讨加宽工程施工技术及方法,并采用数值方法模拟施工效果,提出施工建议,便于今后类似工程的应用。
2工程概述
2.1工程背景
连霍高速横跨京广铁路两侧的高填方路基,路基断面在原有26m的路基的基础上两侧各加宽8m,加宽后路基宽度为42m。本文计算选取断面路堤高度为13m,在新老路堤结合处,挖除表层种植土后采用原有坡率进行新老路基拼接施工,考虑到新填路基对老路基附加沉降的影响,采用地基底部设碎石垫层+边坡预应力管桩,新老地基接合处均布设CFG桩的地基处理方法。
2.2技术措施
2.2.1开挖台阶
设计时考虑到原路面结构底基层在原硬路肩处未贯通,理论上其承载力较低,而且通车后将成为正常的行车道,因此路面加宽时,将原硬路肩的路面结构部分挖除,然后在此处采用挖台阶的方式进行路面加宽。鉴于原公路经近十年的沉降,路基的密实度较高,稳定性较好,为防止路基加宽施工期间影响道路行车,为此路基拼宽采用挖初种植土后直接按原有坡率进行台阶式施工。
首先对地表、原边坡坡面进行30cm厚清表处理,开挖第一层台阶后,在回填土夯实、碾压至原地表,然后进行桩基施工,桩顶标高低于地表25cm,便于施工。以后台阶开挖依次进行。
3建立模型
3.1计算模型
本文选取1个典型断面进行模拟计算,根据对称性,只选取路基中心右侧部分建立计算模型,计算模型如图1所示,根据实际情况,模型计算长度右侧为120m,计算深度取20m,计算宽度10m,边坡坡度在8m以下为1:1.75,8m以上为1:1.5。
3.2土体参数
地基土的物理力学参数如表1所示。对于填土的处理,采用把填土当作新增单元参加计算,将填土折算成等效结点荷载进行计算,每层一次性填土0.8m,每层填土的荷载在每个荷载步的第一个荷载子步瞬时加载完毕。
3.3管桩及土工格栅
按照设计施工要求的管桩和土工格栅布设进行模拟计算。桩体单元可以模拟桩与土的相互作用。格栅单元可以模拟与土相互剪切作用,土工格栅按照从台阶内缘铺设至拓宽路基的边坡处,并采用U型钢筋钉固定。
3.4边界条件
针对路堤拓宽的实际情况,对边界条件作如下假定:地基底面固定x、y、z三个方向位移;纵断面的两侧固定y方向的位移;路的横断面有左右两个方向,由于高速公路是典型的轴对称问题,所以左侧采用水平方向的位移约束,右侧根据模型建立原则也采用水平位移约束;路堤上部为自由面,无约束。4模拟结果分析
图2沉降变形颜色带从浅变深,表明数值绝对值逐渐变大。沉降量在新路堤部分比较大,在老路堤部分影响比新路堤较小,为盆行沉降规律。沉降量最大值发生在新路肩位置,在远离新路堤的地表,发生了少量的隆起,符合新老路堤相互作用的机理。
图3表明,水平位移的最大值发生在新路堤的最外边缘处,最小位移发生在老路堤中心处,中间变化连续,影响范围主要围绕加宽路堤一定范围内,超出一定的距离,水平位移变化很小,位移曲线变化连续。
分别作计算断面的路面沉降、路面的水平位移、地基表面的垂直位移、地基表面的水平位移如图4~7所示。
图4表明:路面沉降规律为老路基沉降变化相对较小,而新路堤沉降变化相对比较大,这主要是由于新土基相对较软,在新路堤荷载作用下,发生的沉降所致。路堤中心沉降量最小,约2cm左右,最大沉降量发生在新路肩位置,沉降量约为8cm。
图5表明:在新路堤荷载作用下,新老路面的水平位移逐渐加大,但是新路堤的水平位移发展明显大于老路堤的水平位移,新路肩的水平位移呈最大值,约为3.5cm。
图6表明:在新路堤的作用下,老路堤中心沉降量向两端逐渐增大,对老路堤远端的影响相对最小,地基变形曲线呈“勺子”状,最大沉降量发生在新老路堤结合处的位置,最大值约为7.5cm,老路中心的沉降量约为1.9cm。
图7表明:在老路地基部分,大约在20m以内,地基土体发生负向位移即地基土体向老路中心线方向移动,20m以后土体发生正向位移并且逐渐增大,在接近新路堤中心位置水平位移接近0,其后又逐渐增大,符合路堤在加宽荷载作用下的变形机理。
5结论
本文针对实体加宽工程,进行了加宽效果的数值模拟研究,研究结果表明:(1)路堤横断面上老地基处沉降量最小,整体上沉降呈现中间小,两边大;新路堤的沉降变化大于老路堤的变化,路肩处沉降呈最大值。水平位移逐渐增大,新路肩位置呈现最大值。
(2)本工程施工技术及方法较好的控制了新老路基和地基的变形,变形量在规定范围之内,地基处理效果较好。但需要加强新老结合处的地基处理,防止发生长期变形问题。今后也需加强加宽工程的长期沉降和水平位移的监测工作,以便检测施工效果长期工作能力。
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