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高速公路拓宽工程优化设计研究

摘要:基于高速公路拓宽工程沉降控制复合地基优化设计,分析扩宽工程的沉降控制标准,阐述沉降控制的模型及条件以及计算结构,总结复合地基的优化设计方法,通过这些方法改善扩宽工程的路基施工效果。

关键词:高速公路;拓宽工程;复合地基

优化城市经济和人口的增加,促使交通行业更加繁荣,目前很多工程针对高速公路进行拓宽,缓解车辆通行的压力。本次研究的高速公路其原路经过多年经营,沉降已经基本完成,在此基础上进行拓宽,会产生较多差异。新旧荷载在新老路基上具有明显的体现,容易在扩建后出现路面开裂等问题。由此要对高速公路扩建工程的沉降情况进行认真分析,掌握地基复合设计的优化特点,并总结如下。

1扩宽工程的沉降控制标准分析

高速公路拓宽工程软土地基会出现沉降,要想降低施工对原有路面的不良影响,应认真分析高速公路的沉降控制标准,掌握新老路基的差异。结合公路的固结程度不同,分析沉降差异,为符合地基的优化设计奠定基础。

1.1沉降控制标准

高速公路软土地基进行拓宽设计,需要掌握原有路基的沉降情况,分析新建路基与老路基之间的差异,并进行有效控制。路基拼接中,新老路基的横坡度变化应小于0.5%,针对原路中心的沉降附加值要控制在30mm内,否则路面会出现开裂[1]。

1.2沉降控制标准的有限元分析

综合分析高速公路拓宽工程,主要体现为平面变化,可以结合二维平面有限元进行整体分析。这个过程需要利用对称性的特点,选取一般地基进行分析。高速公路路面层、补强调平层均选用混凝土材料,非线性弹性计算。基层和路堤填土,需要利用特定材料计算弹塑性。针对沉降导致的路面结合变化,分析这种应力变化,要杜绝路堤的重力影响,不考虑稳定变化,运用20℃的材料进行分析。拓宽工程中,土体、垫层和下卧层,均假设为各项均质材料,在层与层之间没有相对位移,主要是连续接触。由此分析,拓宽路堤的接缝处能够与原路堤形成一个整体。

2拓宽工程沉降控制的模型及条件控制

针对沉降控制模型,应计算出几何数值,结合路段的标准横断面和路面结构方案,设计施工设计的简图,其路面层如图1所示。拓宽工程要注重边界的控制,其中左边界处于路的横断面横线处,其在水平方向位移,上边界和右边界比较自由,这种条件下,需要研究沉降的原因与数值。针对路堤变形进行较好设计,凸显约束作用,完善扩宽工程施工[2]。路堤荷载是路堤地面处的位移量,要结合公路扩建以及沉降进行有效设置。在模拟计算中,要掌握横断面的沉降分布,计算100个荷载时的沉降数值,并逐渐增加。

3混凝土路面计算结果

针对路堤底面施加位移之后,需要计算路面的附加拉、压应力矢量图。结合具体的数据图表,能够发现路基属于沉降差异较大,补强调平层上部的受拉情况明显,下部受压,其附加的拉应力都在接缝处体现,所以主应力会与路面形成平行效果。针对路面顶面处、底面处的平层拉应力分析,其之间具有特定的联系。路面附加应力的最大值,与施工预期相比,针对老路堤的接缝位置相差4m距离[3]。当新拓宽路面接近接缝位置2m,会出现较大的附加拉应力。针对施工后路基横向沉降比与路面最大附加拉应力,能够组成正相关系,这种条件下,拉应力与工后路基横向沉降比之间经过有限元结构分析,新老路基施工后沉降比为新老路基路拱横向坡度变化值。实际计算中,沉降比为0.5%时,最大的附加应力能够达到0.67Mpa,超过路面结构中的水泥稳定碎石水泥级配碎石的极限抗拉强度,所以在高速公路拓宽工作中,要将横向坡度变化控制在0.45%以内,防止出现超额沉降。

4水泥土搅拌桩复合地基优化设计

该高速公路拓宽工程,土层为软塑性淤泥,层厚为7m,其层顶面埋深在1m左右。原有路面在软土路基处理中,要使用塑料排水板。针对砂垫层以及其他软土层的分布特点,要使用软土处理方法,综合比较拓宽路基,运用水泥土搅拌桩复合地基,桩长为8m,直径为0.5m,掺入的水泥比为15%。4.1计算沉降拓宽工程路堤下的软土地基变形计算,需要分析荷载分布特点,掌握新老路基的影响因素,这个过程很难进行理论计算,一般的计算方法能够进行简化,但计算结果不够准确[4]。目前选用有限元的处理方法,将高速公路拓宽工程环境模拟出来发,针对不规则的加宽路堤部分,可以使用网络划分成多个小单元,在多种形状分析中都得到很好的使用。有限元分析法能够再现地基软土的变形规律、软土固结规律以及应力等,在实际计算中,结合水泥土搅拌桩复合地基的沉降数值,然后绘制标准断面的路基沉降曲线,得到沉降数值。由此分析拓宽路堤软土地基经过水泥土搅拌桩加固后,沉降会有所降低,最大沉降在6~8m内。路基沉降基本以老路堤坡脚为依据与轴线,逐渐向两边减少。在水泥土搅拌桩桩间距的作用下,从1.2m增加到1.6m,老路中心处的附加沉降约为0.5~1cm。4.2设计优化结合路基差异沉降计算结构,运用多种桩间水泥土搅拌桩复合地基都能够满足路基拱横向坡度变化小于0.5%的差异沉降控制标准,但是应结合设计优化,选取更加合理的桩间距。当差异沉降过大,超过路面结构差异沉降允许值时,路面结构遭到破坏,这种过高的面积置换率,无法有效提升路基沉降效果,反而造成浪费[5]。结合沉降控制标准,控制水泥土复合地基的面积置换率为8.9%,可以达到规定要求。如果面积置换率过高,这种设计形式过于保守,不够经济。综合考虑,本次计算中,主要采用桩土复合模量,充分发挥桩土协调作用,实际工程中,桩与土存在一定不协调,土比桩沉降大,导致总沉降值增加。实际计算中,复合地基的面积置换率比预期计算要大,本断面水泥土搅拌桩复合地基的面积置换率为10.1%,由此选用刚度较大的桩顶垫层,避免柔性基础对复合地基造成影响。承载力验算中,水泥土搅拌桩复合地基的在桩体和褥垫层施工质量可靠情况时,本次设计中,计算水泥土桩长需要与设计相符,保证水泥渗入比15%。路面面积置换率为10.01%,这种条件下,复合地基承载力能够达到150kPa,大于断面设计预期荷载,由此要进行有效协调。综合以上分析,都体现了复合地基在拓宽工程进行沉降控制的方法,通过沉降控制的数值影响,满足经济性和建筑物结构。整个过程,要满足路面施工效果,不会出现额外问题。这种做法在高速公路拓宽工程地基处理较高的基础上,具有重要意义,所以优化设计凸显了实用效果。

5结论

关于高速公路拓宽工程沉降控制具体总结如下:(1)高速公路的沉降控制标准,掌握新老路基的差异。路基拼接中,新老路基的横坡度变化应小于0.5%,针对原路中心的沉降附加值要控制在30mm内,否则路面会出现开裂。(2)拓宽工程中,土体、垫层和下卧层,均假设为各项均质材料,在层与层之间没有相对位移,主要是连续接触。(3)路堤荷载是路堤地面处的位移量,要结合公路扩建以及沉降进行有效设置。(4)高速公路拓宽工作中,要将横向坡度变化控制在0.45%以内,防止出现超额沉降。拓宽路基,运用水泥土搅拌桩复合地基,桩长为8m,直径为0.5m,掺入的水泥比为15%。(5)绘制标准断面的路基沉降曲线,得到沉降数值,结合设计优化,选取更加合理的桩间距。

作者:张玺 单位:河北锐驰交通工程咨询有限公司

参考文献:

[1]阮一舟,石磊,杨涛.按沉降控制的高速公路拓宽工程软基加固方案优化[J].工业建筑,2013(S1):398-401,454.

[2]谭儒蛟,张建根,徐鹏逍.带帽PTC桩在高速拓宽软土路基处理中的试验监测分析[J].工程勘察,2015(1):26-31.

[3]雷金波,陈从新.带帽刚性桩复合地基现场足尺试验研究[J].岩石力学与工程学报,2010(8):1713-1720.

[4]翁效林,张留俊.拓宽路基下软土地基工后沉降预测[J].长安大学学报(自然科学版),2011(1):17-21.

[5]鄂海清.搅拌桩和素混凝土桩处理高速公路拓宽工程软基的路堤性状分析[J].华东公路,2011(6):14-18.

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