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湖北公路交通科技(季 刊)2007年第2期(总18期)

发布时间:2009-04-23   来源:系统管理员  点击量:   

  目    次

  道路工程

  1、拓宽路堤不均匀沉降敏感性因素仿真分析

  …………………………………………吴瑞麟  余海洋  石立万(1)

  2、浅谈山区高速公路路基施工质量监理要点

  …………………………………………………………………赵卫(5)

  3、稀土改性沥青低温冷补养护新材料应用

  ……………………………………张军  毋刚  吴开权  胡兆德(9)

  4、细度对粉煤灰复合水泥胶砂性能的影响

  ……………………………………………薛永杰  玄东兴  查进(12)

  5、红砂岩地区路面基层的病害处治

  ………………………………彭泽明  李家泰  贾建明  伍春妮(15)

  桥隧工程

  6、C50T型梁机制砂混凝土的配制与应用研究

  …………………………………王稷良  喻世涛  刘俊  周明凯(17)

  7、动态GPS系统在枣阳吴店大桥勘测中的应用

  ………………………………………………马宏伟  丰伟  吴豪(20)

  8、基于模糊数学的桥梁结构损伤诊断

  ……………………………周林  何晓鸣  李方  张孝伦  郑权(24)

  9、乌池坝特长公路隧道斜井、竖井设计

  ……………………………………………………陈光明  胡良年(27)

  10、高标号砼预应力T梁施工工艺与质量控制

  …………………………………………………………………张静(34)

  综 合

  11、高速公路沥青路面养护管理发展趋势及对策

  ………………………………………………………何雄伟  周丹(36)

  12、汉十高速公路运营标准化管理体系构建

  ………………………………………………………杨红宇 陆由(39)

  13、基于多层模糊模型的路线方案社会评价

  ……………………………………………………卢冬生  兰志雄(45)

  14、对山区发展生态公路交通的思考

  ………………………………………………………………刘小康(50)

  15、关于加强农村公路养护管理工作的思考

  …………………………………杨辉  王文平  盛永荣  赵年雷(53)

  图片摄影(封面)………………………………………………郝庆云

  图片摄影(封底)…………………湖北高速公路实业开发公司提供

  拓宽路堤不均匀沉降敏感性因素仿真分析

  吴瑞麟  余海洋  石立万 

  华中科技大学  土木工程与力学学院

  摘  要: 本文采用FLAC3D三维有限差分分析软件,结合“武汉市三环线武黄高速公路共线段拓宽工程”对拓宽路堤变形进行仿真分析。先通过土工格栅加筋层数对不均匀沉降的敏感性分析,证明了加筋层数对不均匀沉降有显著影响,并且加筋3~4层时更能发挥加筋性能。再对新路堤土体相关参数进行敏感性分析,得出了土体剪切模量对新路堤的沉降影响最为敏感的结论。研究成果对路堤加筋处理和公路拓宽工程中新老路基结合部处理均有借鉴意义。

  关键词:土工格栅  武黄高速公路  拓宽  不均匀沉降  仿真分析 

  0  引言

  随着高速公路建设突飞猛进的发展,很多满负荷运行的路线需要改扩建。在高速公路拓宽改建工程中,必定存在新老路基相互作用的问题,由于新老路堤结合部位的固结时间差异,导致不均匀沉降,使结合部出现纵向裂缝,进一步发展会引起路堤失稳和滑坡。因此,拓宽工程中如何控制新老路基间产生的不均匀沉降问题已成为高速公路改扩建过程中的一个重要研究课题。

  目前,针对这一问题许多专家开展了大量研究工作,并取得了一定的效果。但是,这些方法往往都是基于经验的考虑,定量分析不均匀沉降的研究较少。

  本文通过FLAC3D非线性有限差分软件对拓宽路堤不均匀沉降进行多变量仿真分析,试图寻找影响产生不均匀沉降的敏感性因素,从而为工程设计提供理论依据。

  1  FLAC3D理论及简介

  FLAC3D(Three Dimensional Fast Lagrangian Analysis Of continua)是美国Itasca公司开发的三维快速拉格朗日分析程序。该程序包含10种弹塑性材料本构模型,有静力、动力、蠕变、渗流、温度五种计算模式,各种模式间可以互相藕合。三维快速拉格朗日法是一种基于三维显式有限差分法的数值分析方法,它可以模拟岩土体或其他材料的三维力学行为。该方法将计算区域划分为若干个四面体单元,每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系,如果单元应力使得材料屈服或产生塑性流动,则单元网格可以随着材料的变形而变形,这就是所谓的拉格朗日算法。这种算法非常适合于模拟大变形问题。三维快速拉格朗日分析还采用了显式有限差分格式来求解场的控制微分方程,并应用了混合单元离散模型,可以准确地模拟材料的屈服、塑性流动、软化直至大变形,尤其在材料的弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等领域有其独到的优点。

  FLAC3D主要有以下优点:

  (1)对模拟塑性破坏和塑性流动采用的式“混合离散法”。这种方法比有限元中的通常采用的“离散集成法”更为准确、合理。

  (2)即使模拟的系统是静态的,仍采用了动态运动方程,这使得FLAC3D在模拟物理上的不稳定过程不存在数值上的障碍。

  (3)采用“显式解”方案。因此,显式解方案对非线性的应力-应变关系的求解所花费的时间几乎与线性本构关系相同,而隐式求解方案将会花费较长的时间求解非线性问题。而且它没有必要存储刚度矩阵,这就意味着采用中等容量的内存可以求解多单元结构;模拟大变形问题几乎不比小变形问题多消耗更多的计算时间,因为没有任何刚度矩阵要被修改。

  2  计算模型

  2.1  几何模型

  根据武汉市三环线武黄高速公路共线段拓宽工程的实际情况,其几何模型参数概化为:老路基宽24米,拓宽后路基宽32米,即道路两侧各拓宽4米;路堤填高5米;边坡坡度1:1.5;地基计算深度15米。本文取对称结构(右半幅)分析,道路纵向取2米。共划分10320个单元,13455个节点,用FLAC3D建立的三维模型如图1所示。

  图1 三维计算模型(右半幅)

  2.2  基本假定及材料参数

  计算分析时模型的基本假定:

  (1)边界条件:地基底面两个方向均约束,地基宽度外侧水平向约束;

  (2)层间接触条件为完全连续接触;

  (3)地基和路堤中的初始应力场由地基土和老路基土的自重形成。

  土体本构模型的选取:本文土体选用德鲁克-布拉格(Drucker-Prager)塑性模型(DP模型)。该模型能够较好地模拟摩擦角较小的软粘土[1]。采用FLAC3D计算所需要的主要参数为体积模量、剪切模量、粘聚力和内摩擦角。其数值如表1所示。

  表1  土体计算参数表

  土  层

   体积模量

  (MPa)

   剪切模量

  (MPa)

   粘聚力

  C(KPa)

   内摩擦角

  (°)

  老地基*

   14.4

   4.8

   50

   16

  新地基

   3.7

   1.2

   30

   14

  老路堤*

   10

   3.3

   40

   15

  新路堤

   2.4

   0.81

   30

   14

  注:* 由钻探资料核算而得

  在FLAC3D程序中模型的参数使用的是体积模量(K)和剪切模量(G),而不是杨氏模量(E)和泊松比(n),这是因为人们相信体积模量和剪切模量所对应的材料行为方面比杨氏模量和泊松比所对应的更为基础[2]。将(E,n)转换为(K,G)的方程式为:

        (1)

  一般来说,天然土体都具有成层性质,各层的参数值是不一样的,为简化计算模型,这里采用了相同的参数值,按各向同性考虑。各个参数取值参照了现场地质钻探报告。

  3  土工格栅加筋敏感性分析

  经过多年的应用实践,将土工格栅应用于高速公路拓宽改建工程,以减小和延缓路堤的横向不均匀沉降,已得到公路工程界的广泛认可。然而实际应用中,筋土界面经常会发生滑移、粘结等情况,表现出接触状态的非线性。另外,对于土工格栅减小软土地区地基不均匀沉降的效果和机理一直存在着争论,有人认为,加筋材料是一种薄膜结构物,不具有抗弯刚度,所以不能有效扩散竖向应力,不会影响地基的最终沉降[3]。笔者运用FLAC3D有限差分程序进行三维仿真分析,采用FLAC3D程序中自带的土工格栅单元(geogrid)来模拟实际工程中的土工格栅,通过大量的计算来分析和说明土工格栅在拓宽路堤中的作用和效果。并进一步指出最佳的加筋层数。

  本文分别采用七种加筋方式:从不加土工格栅到加六层土工格栅。第一层加筋位置在路堤的顶部,然后每30㎝向下铺设一层,加筋模量取2GPa,然后分别运用FLAC3D进行计算。为了反映新老路基不均匀沉降情况,本文选取接缝两边各2m处作为计算沉降的控制点,对应的老路基控制点、新路基控制点的沉降量及其不均匀沉降量计算结果如表2所示。

  表2  路堤加筋层数及其沉降量

  加筋层数

  (层)

   老路堤

  沉降量(㎝)

   新路堤

  沉降量(㎝)

   不均匀

  沉降量(㎝)

  0

   3.5232

   7.0919

   3.5687

  1

   3.4994

   6.6906

   3.1912

  2

   3.4778

   6.4029

   2.9251

  3

   3.4655

   6.1979

   2.7324

  4

   3.4607

   6.1170

   2.6563

  5

   3.4578

   6.0836

   2.6258

  6

   3.4564

   6.0579

   2.6015

  由表2分析可知:铺设一层土工格栅后,老路基与新路基之间的不均匀沉降会明显减小,铺设两层土工格栅的效果要好于铺设一层的,铺设三层土工格栅的效果更加显著;但随着铺设土工格栅层数的增加,四、五、六层的加筋效果并不明显。就本文所选的两个控制点而言,加一层土工格栅后,两控制点的不均匀沉降减少了10.6%。加两层土工格栅后,不均匀沉降减少了18.0%。加三层土工格栅后,不均匀沉降减少了23.4%。而加四层土工格栅后,不均匀沉降仅减少了25.5%。加六层后,不均匀沉降也仅减少了27.1%。加筋层数与不均匀沉降的趋势如图2所示。

  由以上分析可以得出结论:用土工格栅处理高速公路拓宽工程中新老路堤的不均匀沉降效果非常显著,并且土工格栅铺设的层数与不均匀沉降的关系是非线性的,铺设三至四层土工格栅效果最佳,再增加铺设的土工格栅所起的作用不大。 “武汉市三环线武黄高速公路共线段拓宽工程”采取了铺设三层土工格栅的设计方案。

  4  土体的物性指标敏感性分析

  拓宽路堤不均匀沉降产生主要原因是由于新老路堤土体的固结程度不同,也就是它们的物性指标参数的大小不相同。在这些指标中哪些是影响不均匀沉降的主要因素呢?笔者主要针对这一问题,假定地基及老路堤的土体固结基本完成,其各参数数值不再发生变化。从理论上改变新路堤土体的各指标参数的值,然后分别进行仿真计算,最后利用数理统计原理进行分析,指出影响不均匀沉降的敏感性因素。

  结合工程实际,为了有效减小不均匀沉降,此处的计算模型均采用带有三层土工格栅加筋的模型进行计算。

  4.1 体积模量的影响分析

  为了考察土体体积模量对新老路堤不均匀沉降的影响,假设新路堤土体的剪切模量、粘聚力和内摩擦角值不变,只逐一改变体积模量的值。根据表1:取剪切模量0.81 MPa,粘聚力30KPa,内摩擦角14度,体积模量从1 MPa逐步增加到14 MPa,增加步长为1 MPa。经计算得出的体积模量与新老路堤不均匀沉降的关系如图3所示。

  由图3分析可知:土体的体积模量对新老路堤不均匀沉降影响较大。当体积模量从较小值逐步增大至与老地基的体积模量相当时,新老路堤的不均匀沉降由4.07㎝减小到2.82㎝,不均匀沉降减小了30.7%。进一步分析还可以得出这样结论:体积模量从1 MPa增加到7 MPa时,新老路堤的不均匀沉降减小非常显著,不均匀沉降由4.07㎝减小到2.97㎝,减小了约27%。而当体积模量从7 MPa增加到14 MPa时,新老路堤不均匀沉降变化不大,仅减小了5%左右。

  4.2 剪切模量的影响分析

  为了考察土体剪切模量对新老路堤不均匀沉降的影响,假设新路堤土体的体积模量、粘聚力和内摩擦角值不变,只逐一改变剪切模量的值。根据表1:取体积模量2.4 MPa,粘聚力30KPa,内摩擦角14度,剪切模量从0.5 MPa逐步增加到5 MPa,增加步长为0.5 MPa。经计算得出的剪切模量与新老路堤不均匀沉降的关系如图4所示。

  由图4分析可知:土体的剪切模量对新老路堤不均匀沉降影响也较大。当剪切模量从较小值0.5 MPa逐步增加到5 MPa时,新老路堤的不均匀沉降由4.19㎝减小到2.44㎝,减小了41.8%。进一步分析:剪切模量从0.5 MPa增加到2.5 MPa时,新老路堤的不均匀沉降减小特别显著,不均匀沉降由4.19㎝减小到2.64㎝,减小了约37%。而当剪切模量从2.5 MPa增加到5 MPa时,新老路堤的不均匀沉降几乎没有变化。

  4.3 粘聚力的影响分析

  为了考察土体粘聚力对新老路堤不均匀沉降的影响,假设新路堤土体的体积模量、剪切模量和内摩擦角的值不变,只逐一改变粘聚力的值。根据表1:取体积模量2.4 MPa,剪切模量0.81 MPa,内摩擦角14度,粘聚力从10 KPa逐步增加到80 KPa,增加步长为10 KPa。经计算得出的粘聚力与新老路堤不均匀沉降的关系如图5所示。

  由图5分析可知:土体的粘聚力对新老路堤不均匀沉降影响不大。粘聚力从10 KPa增加到80 KPa,新老路堤的不均匀沉降仅由4.15㎝减小到3.62㎝,不均匀沉降仅减少12.8%。与体积模量和剪切模量不同的是:随着粘聚力的增加,新路堤的沉降几乎是均匀地减小,不存在拐点。

  4.4 内摩擦角的影响分析

  为了考察土体内摩擦角对新老路堤不均匀沉降的影响,假设新路堤土体的体积模量、剪切模量和粘聚力的值不变,只逐一改变内摩擦角的值。根据表1:取体积模量2.4 MPa,剪切模量0.81 MPa,粘聚力30KPa,内摩擦角从8 度逐步增加到24度,增加步长为2度。经计算得出的内摩擦角与新老路堤不均匀沉降的关系如图6所示。

  由图6分析可知:土体的内摩擦角对新老路堤不均匀沉降的影响很小。当内摩擦角从8 度逐步增加到24度时,新老路堤的不均匀沉降由4.09㎝减小到3.99㎝, 不均匀沉降仅减小了2.4%。

  4.5 小结

  通过分别对土体的体积模量、剪切模量、粘聚力及内摩擦角的计算分析,我们可以得出土体各指标参数对新老路堤不均匀沉降的影响程度。如图7所示。

  从图7分析比较可知:土体的体积模量、剪切模量、粘聚力及内摩擦角对新老路堤的不均匀沉降都有一定的影响。其中土体的剪切模量影响最为敏感,体积模量的影响次之,粘聚力的影响总体不大,内摩擦角对不均匀沉降的影响可以忽略不计。

  5  结论与建议

  (1) 通过FLAC3D程序计算分析,可以看出用土工格栅处理高速公路拓宽工程中新老路堤的不均匀沉降效果非常显著。其作用机理主要是其具有较高的抗拉强度。在拓宽路堤中铺设土工格栅具有应力扩散作用,能减小不均匀沉降,防止路面裂缝的产生。在拓宽路堤中铺设3~4土工格栅,效果最佳。

  (下转第8页)

  浅谈山区高速公路路基施工质量监理要点

  赵  卫

  湖北省公路局科研所

  摘  要:山区高速公路鉴于其地形地质情况的复杂性,路基土石方工程的施工难度较大,因此如何有效地控制路基工程的施工质量,成为山区高速公路路基施工中需要解决的首要问题。本文结合湖北省襄十高速公路项目武许段第二监理合同段路基工程的施工监理实践,介绍了山区高速公路路基施工质量监理要点。

  关键词:山区高速公路  试验路  CBR  基底处理

  1  工程概述

  湖北省襄十高速公路项目武许段是汉十高速公路先期开工的路段。路线所经地区属构造剥蚀中低的重丘区,海拔在150~1612米之间,地势起伏大,沟壑相间、地形破碎,山高坡陡、植被稀疏,多为低矮灌木丛。路基所处区域横坡陡,填挖土石方和路基防护工程量大,平面线形标准较低,路线迂回,纵坡较陡。

  本项目按计算行车速度80km/h的双向四车道高速公路标准修建。主线路基宽度23m,其中,中间带2.0m(含中央分隔带1.5m)、左侧路缘带2×0.25m、行车道2×2×3.75m、硬路肩2×2.50m(含右侧路缘带0.5m)、土路基2×0.5m。路面横坡:行车道、硬路肩为2%,土路肩为4%。

  本路段填方路基填方高度为0~30m,挖方路基开挖深度为0~27m。

  整个路线全长27.8公里,划为分两个监理合同段。笔者所监理的是第二监理合同段。

  2  施工质量监理要点

  路基施工是将设计意图转变为实体路基的复杂过程。路基建成后又裸露于自然环境中,受车辆荷载和环境因素的反复作用,且又是路面的基础,如果路基施工质量不符合要求,将直接影响路面整体强度、稳定性和使用寿命。

  山区高速公路的路基施工又有其特殊性。山区高速公路因为其所经地区的地形地质情况的复杂性,土石方工程量大,高填深挖工点多,再加上构造物多,施工场地难以布置,这无疑增加了路基工程的施工难度。因此,如何有效地控制山区高速公路路基工程的质量,既是承包商所需解决的主要问题,也是监理工作的中心内容。

  为了有效的控制山区高速公路路基的施工质量,从监理的角度讲,笔者认为应从以下几个方面着手,做好工程质量监理。

  2.1、督促承包人做好施工前的准备工作

  施工前的准备工作,主要是组织准备、技术准备和物质准备等三方面。

  2.1.1 组织准备工作  主要是建立和健全施工队伍和管理机构,明确施工任务,制定规章制度,特别是工程质量保证制度,从组织上确保山区高速公路路基施工的顺利实施。组织准备亦是做好一切准备工作的前提。

  2.1.2 技术准备工作  主要是在路基开工前,施工单位应在全面熟悉设计文件和设计交底的基础上,从组织上确保进行现场核对和补充施工调查。根据现场调查收集到的情况,全面核实工程数量、施工难易程度和人员、设备、材料准备情况,编制实施性的施工组织设计和施工计划,尽可能根据所辖标段的地形地质特点,编出路基施工网络计划。

  然后在施工总计划的指导下,进行恢复定线、施工放样和清除施工现场,搞好临时工程的各项准备工作等。

  在大面积施工展开之前,应要求并督促承包人选择地质条件、断面型式有代表性的地段铺筑试验路,长度宜在200m左右。试验路所用的材料和机具应与将来全线施工所用的材料、机械组合、压实机械的配置、压实系数、压实工艺、最佳含水量、松铺厚度、工程质量检测方法、评价标准、记录格式,为全面施工总结出一套完整的施工工艺。

  2.1.3 物质准备工作  包括各种材料与机具设备的购置、采集、加工、调运与储存以及生活设施、临时交通的便道、便桥、供电和临时通讯等多方面的准备。

  2.2、督促承包人做好路基填料的材料试验,加大抽检力度

  路基填料的好坏直接影响路基的耐久性和水稳性,高速公路一般交通量大,重载交通多,因此路基填料的选择尤其重要。

  山区公路由于半填半挖路段较多,考虑填挖平衡,路基填料大多就地取材。本项目路段路基填料主要是风化片岩、变质岩开挖产生的碎石质土。主要试验项目有①液限、塑限及塑性指数试验;②颗粒分析试验;③含水量试验;④有机质含量试验;⑤土的击实试验;⑥最佳含水量;⑦土的CBR试验;⑧碎石土中粒料的强度试验。

  液、塑限及塑性指数是反映路基填料水稳性的一项指标,对于液限大于50,塑性指数大于26的土,不能直接作为路基填料,不然应通过改良后方可使用。

  土的CBR试验按《公路土工试验规程》,对试样浸水96h的CBR试验方法进行,它主要反映基土抵抗塑性变形的能力。国内外在路基土的研究中一直比较关心CBR与路基土回弹模量E。之间的关系。表1即为国内外一些单位确定的CBR与路基回弹模量E。之间的关系。CBR不但操作方便而且人为误差小,国外路基施工质量控制中应用很广泛,在我国的山区公路路基施工中,应该逐步采用CBR这个指标。

  表1     土基回弹模量E。与CBR的关系

  资料来源

   关系式

   附注

  壳牌石油公司

   E。=10CBR

   E。为动弹性模量

  E。=5CBR

   E。为静弹性模量

  英国TRRL

   E。=17.6(CBR)0.54

   E。为动弹性模量

  美国沥青协会

   E。=10.5CBR

   E。为动弹性模量

  日本道路公团

   E。=2~4CBR

   E。为静弹性模量

  法国

   E。=3~5CBR

   E。为静弹性模量

  交通部公路所

   E。=2.5~3.5CBR(不浸水)

   E。为直径5cm的承载板测得

  E。=5~7.5CBR(浸水)

  交通部交规院

  北京建工学院

   E。=2.44CBR

   E。为直径28cm

  承载板测得粉质轻亚土

  交通部公路所

  广西交通厅

   E。=14.4CBR(不浸水)

  E。=20.6CBR(浸水)

  根据交通部JTJ033-95《公路路基施工技术规范》,路基填料的强度要求见表2。

  表2   路基填料强度要求

  项目

  分类

   路面底面

  以下深度

  (cm)

   填料最大拉径

  (cm)

   填料最小

  强度要求

  (CBR,%)

  主线

   二、三级

  公路

  填方

  路基

   上路床

   0~30

   10

   8

   6

  下路床

   30~80

   10

   5

   4

  上路堤

   80~150

   15

   4

   3

  下路堤

   150以下

   15

   3

   2

  零填及路堑路床

   0~30

   10

   8

   6

  山区公路路基填料一般为风化或弱风化碎石土,塑性指数较低,CBR指标也均能满足要求。路基填料主要是控制现场填料的最大粒经及混合料的级配组成,以保证良好的压实效果,提高路基工程的稳定性和耐久性。

  2.3、督促承包人采用适宜的施工方法

  2.3.1 做好测量放样

  山区公路线形一般较复杂,因此须高度重视测量放样工作。

  ①根据设计图纸提供的控制点进行加密测设,以满足施工放样的需要。

  ②根据护桩进行线路中心控制点的恢复。

  ③按设计图提供的逐桩桩号控制路基中心的各点测设中心桩。

  ④根据近似计算结果,测设路基边线,测量出各桩位左、中、右三点的高程,做好记录,计算出各桩号左右两侧的路基填筑宽度。

  ⑤按路堤设计顶面加宽30~50cm(以保证边坡压实度而增加的宽度),放出各边线点,再用石灰沿边线播撒两条白色的边线作为填土范围的明显标记。

  对承包人测量放样的成果,监理工程师一般须按20~30%的比例进行复核。

  2.3.2 路基填筑方案及实施要点

  ①山区路基土石方的施工中,一般要求挂线施工,做到标志清楚,层次分明,控制好路拱度、平整度及宽度。

  ②路基施工前,要求并督促承包人做好原地面临时排水设施,开挖路基两侧临时排水沟以降低潜水位,并与永久排水设施相结合。排水不得流入农田、耕地,不得引起水沟淤积和路基冲刷:重视施工期的排水工程。

  ③承包人对耕植土的清除及河塘的清淤必须认真彻底,对沿线基底的植物、腐殖土彻底清除。

  ④路基填筑,宜采用水平分层填筑法施工,分层压实的最大松铺厚度不大于30cm,土石混填分层厚度不大于40cm,填筑至路床顶面最后一层的最小压实厚度不小于8cm。天然土石混合料中所含石科强度大小20Mpa时,石块的最大粒径不得超过压实层厚的2/3;当所含石料为软质岩(强度小于15Mpa)时,石块的最大粒径不得超过压实层厚,超过的应打碎。

  ⑤路基填挖交界处(含半填半挖交界)处路基,为保证路基的整体性,一般采用补强设计。补强设计的原则为:采用两层土工格栅,分别铺设于上、下路床底面。土工格栅强度:纵向设计抗拉强度

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