从力学角度分析高速公路填砂路堤拓宽加筋土工程施工支护结构

从力学角度分析高速公路填砂路堤拓宽加筋土工程施工支护结构
摘要：近年来，我国高速公路的发展取得了可喜的成就。

但是，随着近年我国交通量猛涨，尤其在沿海比较发达的地区，再加上许多原有高速公路通行能力下降，无法满足人们的通行要求，需要在原先基础上进行加宽改造。

但时至今日，我国采用加筋土方式在高速公路填砂路堤拓宽施工过程中仍经验匮乏，技术未完全成型，尚缺乏完备的理论支撑，针对应用加筋土挡土墙拓宽高速公路填砂路堤还有待深入研究。

本文从高速公路填砂路堤拓宽加筋土工程存在的缺陷和病害特征入手，从力学角度深入分析加筋土工程施工支护结构，从而提高对高速公路进行拓宽之后的使用性能。

关键词：拓宽填砂路堤；加筋土；支护结构；力学分析
随着我国经济迅速崛起，高速公路也在飞速发展，自1998年起我国第一条高速公路——沪嘉高速建成通车以来，截止2009年底，全国高速公路通车总里程6。

5万公里，仅次于美国，位居世界第二，并有望于2020年，国家高速公路网基本建成之际实现通车总里程10万公里。

但是，随着近年我国交通量猛涨，尤其在沿海比较发达的地区，再加上许多原有高速公路通行能力下降，无法满足人们的通行要求，需要在原先基础上进行加宽改造。

目前，对高速公路进行拓宽有两种手段：不改变原来的边坡坡比进行拓宽以及保持原先的坡脚位置，将边坡变陡进行加宽。

考虑到尽量不占用有限的土地资源，实际拓宽工程偏向于采用后一种拓宽方式。

但是不管采取哪种手段，在实际实施过程中，会遇到很多难题：一方面，目前急切需要拓宽高速公路的工程主要集中在公路沿线经济发达、城镇化程度较高、人口密集的东部沿海地区，拆迁土地费用昂贵；另一方面，对于受到自然条件极大限制的西部山区，沟多坡高，拓宽路基困难重重，很多情况下，需要增加填砂路堤的坡度，进行原位拓宽，从而减少土地占用。

启用加筋土工程可以很好地实现高速公路填砂路堤原位拓宽。

1997年8月加宽工程动工的广佛高速公路就是我国首条进行加宽扩建的高速公路。

但时至今日，我国采用加筋土方式在高速公路填砂路堤拓宽施工过程中仍经验匮乏，技术未完全成型，尚缺乏完备的理论支撑，针对应用加筋土挡土墙拓宽高速公路填砂路堤还有待深入研究。

本文从高速公路填砂路堤拓宽加筋土工程存在的缺陷和病害特征入手，从力学角度深入分析加筋土工程施工支护结构，从而提高对高速公路进行拓宽之后的使用性能，缓解不断增长的交通量。

一、加筋土路基破坏现象和产生病害的主要原因
一些学者对加筋土实体调研工程反馈结果表明：有些加筋路段路基发生不均匀沉降，局部溜塌、挡墙鼓肚或外倾而导致路面开裂，坡面出现剪切状裂缝；有些加筋挡墙附有面板，在面板和筋带连接的地方容易发生断裂；填、挖路段交界处容易在结合部位被破坏；西北干旱地区，植物防护的坡面因为植物生长困难，在雨季来临时，坡面冲刷严重，致使加筋材料外露，被烈日暴晒，如此反复，筋材容易老化使用寿命缩短，引起路基边缘发生溜塌。

从以上故障现象我们可以看出，加筋土挡墙稳定破坏包括土体外部和土体内部的破坏，其中，加筋土挡墙土
体外部破坏形式分4种：整体侧移、整体滑移、倾倒、基础承载力破坏。

加筋土挡墙土体内部破坏取决于加筋材料本身的抗拉强度以及填料与筋材之间互作强度，破坏形式分为2种：筋材被拉断、筋材被拔出破坏，均表现出土坡失稳。

综上，我们可以总结出加筋土路基发生病害的主要原因：
（1）、拓宽高速公路填砂路堤加实施筋土工程初期没有仔细勘探地基的地质条件，未对地基作充分处理就直接建造加筋土体，建成通车后，路基会发生局部沉降，直接导致路基面开裂、墙体倾斜；
（2）、对采用面板的加筋土挡墙，在连接面板与筋材时没有进行合理地设计，雨水侵蚀后产生较大的沉降差，造成板后空洞、筋材老化，面板和筋材错位，引起断裂；对包裹式的加筋土坡，没有采取妥善的防冲刷措施，环境不适宜时，植被不能快速生长，雨水冲刷带走坡面土体，露出格栅，使骨架悬空，导致路基边缘发生局部坍塌；另外就是对山区斜坡路堤地表和内部排水设施设置不当，积水作用使加筋土体变形，引起路基变形；
（3）、施工质量存在隐患，普遍存在下列问题：坡面包裹不整齐，填充砂料颗粒过多，填、挖结合处不合规范以及没有压实面板部位等，施工管理监督水平有待提高。

二、从力学角度分析高速公路填砂路堤拓宽加筋土工程施工支护结构
对以上我国加筋土路基破坏现象和产生病害的主要原因进行细致地分析之后，可以看出，虽然我们在拓宽高速公路工程期间已经积累了不少经验，但是尚缺乏成型的技术及相关理论支撑，至此，本文深入地从力学角度研究高速公路填砂路堤拓宽加筋土工程施工支护结构，对于提高拓宽之后的高速公路的使用性能和缓解不断增长的交通量具有重要的现实意义。

前以叙及，考虑到尽量不占用有限的土地资源，实际拓宽工程偏向于采用保持原先的坡脚位置，将边坡变陡的拓宽方式。

以下我们所做的分析就针对这种加筋陡路堤拓宽方式。

主要分析内容：
（1）、拓宽工程加筋土自身结构差异沉降标准
长时间的车辆荷载，加上路基自重共同作用下，老路基几近完全固结，而新路基自竣工运营后会出现不同程度的差异沉降，在压实度不高的路基处纵横坡增大时产生路基内拉应力，从而引起路基开裂。

在实际拓宽设计中，就要提高新路基的刚度，降低差异沉降，使新老路基紧密结合成一整体，具有足够的抗变形和承载能力。

降低拓宽路段的差异沉降避免纵横向开裂实质就是控制路基纵横坡改变率。

控制加宽工程差异沉降指标需考虑路面的结构和功能要求：路面横坡要求、路面纵坡要求、路面平整度、路面结构等。

进而明确路基拓宽过程中对差异沉降的控制幅度，在不同路堤高度和不同坡比条件下比较加筋土自身结构所能承受的地基沉降，服务于高速公路拓宽实践。

（2）、加筋土挡墙结构的力学分析
因为加宽工程中复杂的加荷条件，像土体本构模型和边界条件等，满足工程要求的非有限元法莫属，它将应力应变非线性以及复杂的边界和加荷条件考虑在内。

我们采用增量法分析加宽路堤，设计思路如下：先按照老路基进行开挖，然后考虑地应力平衡，修筑新加筋土陡坡，计算出加宽后路面和旧路面以及路基的差异沉降。

模拟实施过程采用时间步控制路堤加载实际情况，计算方法如下：设置与时间步对应的荷载；初始分析布中加上土体自重应力而不考虑新的加筋土路基单元；采用迭代方法的大型有限元软件获得在指定的边界条件下以及荷载作用下的平衡状态，以此作为后续计算的初始条件；在修筑填砂路堤时，激活相应的网格单元，对应时间步模拟增加自重应力，了解新增荷载后路基的复合地基应力以及变形规律。

从力学角度分析高速公路填砂路堤拓宽加筋土工程施工支护结构，揭露新老路基间差异沉降以及沉降规律以及加筋土挡墙的工作机理和工作性状，分析不同高度和坡度的加筋土陡坡针对不同地基压缩系数，在加宽荷载作用下地基和路面的差异沉降以及各自的塑性区和安全系数，进而确定高速公路填砂路基拓宽的开挖方案。

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