装配式组合加宽公路路基稳定性研究

李芬,刘惠，王作君

(1.武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430063； 2.大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室；3.武汉市坦达工程项目管理有限公司)

1 前言

随着国民经济的迅速增长，一些已建好的高速公路因车道数量较少、通行能力有限，不能满足日渐增长的交通运输和社会发展的需求，急需进行改扩建。广佛高速公路是中国首个高速公路改扩建工程，其后沪杭甬、沈大、沪宁等高速公路也都进行了改扩建，21世纪高速公路改扩建已成为公路建设中的重点。但传统的公路加宽方式大多是在原有公路的单侧或双侧直接进行填土，需要大量的填土量；扩建时，新老路基的沉降差异给路面带来的变形、开裂问题一直是亟待解决的难题。为此，相关领域学者做了许多研究。王鹏等通过数值模拟发现新老路基模量相等时，加宽路面开裂的可能性最小；杨林、沈国印等使用有限元软件对加宽路基进行模拟并对路基稳定性及沉降差异的影响因素进行了分析；齐明芹等对高速公路加宽中软土路基的不同处理方式进行了比较；杨涛、梁勇旗研究了加宽过程中路基的变形特性；司晓炜结合工程实例利用有限元验证了土工格栅加筋技术的优势并给出施工建议；于恒等基于实际工程的现场勘察及数值模拟计算，分析了旧路软基处治不佳情况下进行道路扩建工程施工后地基的变形机理；赖军等利用Geo-Studio软件，建立拓宽路基的数值计算模型，分析了不同拓宽方式及宽度、填料物理力学参数和土工格栅及桩加固参数对拓宽路基稳定性及变形特性的影响；刘涛等利用Abaqus对比了采用挖台阶与铺设土工格栅处理的路基与未采取处治方法的路基竖向与水平位移随时间变化的趋势；孟学清、刘光明对高速公路加宽差异沉降机理及控制措施进行了研究和总结。

而实际上传统公路加宽方式还存在着用土量大、尘土污染严重、工期长等问题，部分路段在扩建的同时还需维持通行，施工较不便，同时，中国公路建设也逐渐进入了资源缺乏的阶段，存在着缺土、缺地等问题。将装配式组合结构应用于公路加宽能更好地响应国家推行的绿色公路建设要求。装配式组合加宽结构上部采取混凝土预制板与工字梁组成的钢混结构，下部采用高强度混凝土预制桩，结构中所有构件都可在工厂进行预制，在施工现场再装配，可适用于加宽时公路边坡较高、填土不便或边坡底部土层较软弱等情况。合肥省绕城高速公路陇西段采用了一种新型的桩板式无土路基技术就属于装配式组合结构的一种。合安高速公路扩建项目中也采用装配式结构进行路基加宽。经工程实践验证，采用装配式结构进行公路加宽可减少用土量和征地面积，减少污染，缩短工期，且通过将预制桩打入持力层也可减少工后沉降。

但实际中对装配式组合加宽结构的研究较少，为探讨加宽结构路基的稳定性，该文利用有限元软件Abaqus结合广西某高速公路加宽工程进行建模分析。该公路由原先的双向四车道改扩建为双向八车道，公路加宽方式采用装配式组合结构加宽体系，在原有的道路两侧分别进行拓宽。下部桩基一排在既有的高速公路边坡上，另一排位于高速公路坡底，预制桥面板的一端置于边坡的垫块上。采用装配式组合结构加宽的结构体系示意图可简化为如图1所示。

图1 装配式组合结构公路加宽体系示意图

2 计算模型及参数

建模时对土体均采用Mohr Coulomb弹塑性模型。因主要研究路基的力学性能，将上部结构当做传力构件来进行适当简化，作为线弹性材料处理。模型中荷载包括整体结构的重力、桥面板的二期铺装以及汽车荷载三部分，其中二期恒载按照10 cm厚混凝土换算成均布荷载加载到整个桥面板区域，汽车荷载的作用按车道荷载进行施加。根据JTG D60-2015《公路桥涵设计通用规范》规定，均布荷载标准值取qk=10.5 kN/m；集中荷载标准值按线性内插法取Pk=192 kN。路基土从上到下大致分为4层，桩及各土层材料参数如表1所示。对模型底面约束x、y、z三个方向的位移，前后、左右四面约束法向位移。为在确保计算精度的前提下减少计算时间，对桩附近土划分较密网格，而对离桩较远的土(对桩的影响可忽略不计)划分较疏的网格。单元类型选择C3D8R三维实体单元，划分网格后的模型如图2所示。

3 加宽前后公路路基边坡稳定性

利用初应力提取法分别对加宽前后的路基进行地应力平衡，再施加荷载，并使用强度折减法进行稳定性计算，得到计算不收敛时加宽前后的等效塑性应变云图如图3所示。

表1 模型材料参数表

图2 划分网格后的模型实体图

图3 加宽前后路基边坡等效塑性应变云图

由图3可得：加宽结构下部预制桩插入土层中起到了抗滑作用，阻止了塑性变形区的贯通。加宽前后路基稳定系数随坡顶水平位移变化曲线如图4所示。以水平位移出现拐点为边坡发生破坏的判据，得加宽前的稳定性系数为1.32，加宽后的稳定性系数为1.58，说明通过加宽，路基稳定性得到了较大提高。

图4 路基加宽前后水平位移随稳定性系数变化曲线

4 桩基受力特性分析

预制桩基承受着上部荷载的作用，并通过桩土相互作用将力传递给路基土，为了解不同位置处桩的内力变化，选取位于路基边坡同一侧的坡底和坡上桩进行对比分析，桩基位置如图5所示。图5中桩A、桩B剪力随桩长变化曲线如图6所示。

图5 下部预制桩基的位置示意图

图6 桩A、B剪力变化曲线图

由图6可知：在桩入土后，剪力呈正负交替式变化，与桩A相比，桩B在较大范围内承受着更大的剪力。得到两桩沿桩身变化的水平、竖向位移如图7、8所示。

图7 水平位移随桩深变化曲线

由图7、8可见：两桩竖向位移变化速度大致相同，桩A、B的竖向位移最大值分别为3.47和4.11 mm，桩B竖向位移比A大18.4%。因桩B承受着边坡土体横向下滑力的作用，水平位移桩B比桩A变化得更快，桩B最大水平位移较桩A大0.62 mm。综合剪力、位移图可得：桩B的剪力值和位移值均大于桩A，故在工程实际中，在设计时应尽量提高桩B的单桩承载力。

图8 竖向位移随桩深变化曲线

5 预制桩参数对路基稳定性影响分析

因加宽结构所处土层情况复杂，当预制桩参数变化时，桩侧摩阻力和桩端摩阻力发生改变，必然引起桩内力的变化，同时通过桩土间的相互作用影响路基的稳定性。选取桩长、桩径、桩土间摩擦系数3个参数对路基稳定性进行分析。当研究某一参数的影响效果时，其他参数均不变，桩顶施加的外部荷载恒为520 kN，选择受力较复杂的桩B进行分析。

5.1 桩长

取桩长为9、10、11、12 m 4组模型进行分析，得到不同桩长的桩轴力、桩侧摩阻力变化如图9、10所示。

图9 不同桩长轴力随深度变化曲线图

由图9可知：桩入土前(0～3 m)，桩轴力几乎保持不变。桩入土后，桩轴力沿桩身向下逐渐减小，桩长越长，桩轴力减小得越多，桩长由9 m增加到12 m，桩底轴力减小了约18.4%。这与图10中桩侧摩阻力的变化是吻合的。桩入土后，沿着桩身向下，桩侧摩阻力增大，桩长12 m时桩侧摩阻力最大，即随桩长的增加，桩侧摩阻力发挥得越多，预制桩的竖向承载力得到提高。需要指出的是：在采用Abaqus中点对点离散接触分析时，桩端底部节点的摩阻力无法精确模拟，因为在基于连续介质力学的有限元分析中，桩端并不能真正发生刺入土体的变形，在桩侧面与桩底面交接点桩和土有脱开的趋势，因此图10中接近桩底处的桩侧摩阻力会出现急剧减小到0的现象。经计算得到不同桩长下路基的稳定性系数和桩头水平位移如表2所示，由表2可得：随着桩长的增加，稳定性系数变大，桩头水平位移减小，路基稳定性提高。

图10 不同桩长桩侧摩阻力随深度变化曲线图

表2 不同桩长的稳定性系数和桩顶水平位移

5.2 桩径

设桩径为400、500、600 mm，得到不同桩径下的桩轴力和桩侧摩阻力变化如图11、12所示。

图11 不同桩径下轴力随桩深变化曲线图

由图11可得：桩入土后，桩轴力随桩深度的增加而减小，桩径越大，桩轴力减小得越快，桩径由400 mm增加到600 mm，桩底的轴力值减小了约6.26%，即随着桩径增大，桩土间相互作用越充分，承担上部结构传递的荷载越多。由图12可得：随着桩径增大，侧摩阻力变大，说明桩径越大桩侧摩阻力发挥得越充分。不同桩径下稳定性系数和桩头水平位移如表3所示，由表3可知：随着桩径的增大，稳定性系数增加，桩头水平位移减小，路基的稳定性得到了提高。

图12 不同桩径下桩侧摩阻力随桩深变化曲线图

表3 不同桩径下边坡的稳定系数和桩顶水平位移

5.3 摩擦系数

为研究摩擦系数对路基稳定性的影响情况，在Abaqus中将接触属性中的摩擦系数μ设为0.2、0.3、0.4。在桩顶分级施加荷载，得到桩的荷载-位移曲线如图13所示。

图13 不同摩擦系数下桩的荷载-沉降曲线

由图13可知：摩擦系数μ从0.2增加到0.4，桩的屈服荷载增加约1倍，说明提高摩擦系数可以显著增加桩的极限承载力。不同摩擦系数下桩轴力及桩侧摩阻力随桩深变化曲线如图14、15所示。

图14 不同摩擦系数下桩身轴力随深度变化曲线

图15 不同摩擦系数下桩侧摩阻力随深度变化曲线

由图14、15可见：随着摩擦系数的增大，桩轴力与桩侧摩阻力变化的速度均增大，摩擦系数由0.2增加到0.4，桩底的轴力减小了约14.2%，说明摩擦系数越大，通过桩土间相互作用承担的荷载就越多，所以桩轴力越小，桩侧摩阻力越大。综合可知，摩擦系数增大，桩的极限荷载增大，通过桩土间相互作用承载的上部荷载增多，从而使路基的稳定性得到提高。

6 结论

针对装配式组合公路加宽结构，利用Abaqus对路基的力学性能进行了研究，得出以下结论：

(1) 采用装配式组合结构进行公路加宽对提高路基稳定性系数效果明显。加宽结构下部预制桩插入土中后起到了抗滑桩的作用，使路基稳定性系数由加宽前的1.32提高到1.58。因此，对于高陡边坡采用传统路基土加宽方法带来的边坡滑移、失稳等病害，可考虑采用装配式组合结构的加宽方案。

(2) 加宽结构中位于坡上桩比坡下桩需要更大的单桩承载力。对比路基边坡同侧的坡上和坡下桩的受力情况得到：由于坡上桩承受着来自坡土体的推力作用，桩身剪力值大范围内均比坡下桩大，水平位移、竖向位移最大值较坡底桩增大20.2%和18.4%，因此，对于坡上桩，在设计时应增大其单桩承载力。

(3) 增大桩长、桩径、提高桩与土间的摩擦系数可有效增大预制桩的竖向承载力，其中增大桩长产生的作用最明显，同时，增大桩长、桩径使得路基的稳定性得到提高。因此，在进行装配式组合公路加宽结构设计时，在满足经济性的条件下，可适当增大预制桩的桩长与桩径，并选择摩擦系数较大的土层作为持力层，其中桩长是影响桩承载力和路基稳定性的主要因素。