应用离心模型试验研究公路改扩建工程中

新旧路基拼接处的特性

严秋荣^{1, 2}，刘涌江²

(1. 重庆大学 土木工程学院，重庆，400030；2. 招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆，400067)

摘要：为了研究公路改扩建工程中新旧路基拼接处的稳定性、不均匀沉降等特性，通过离心模型试验，对各种工况下新旧结合路基的不均匀沉降、坡面侧向位移、坡脚侧向土压力及位移场等稳定、变形性状进行分析，并讨论加筋处治新旧路堤结合部的效果。研究结果表明：新旧结合路基稳定性与地基坡度、新填路堤宽度有较大的关联，而不均匀沉降则与新填路堤可压缩层厚度关系密切，加筋处治能有效提高其稳定性和减少不均匀沉降。

关键词：公路工程；新旧结合路堤；离心模型；稳定性；不均匀沉降；加筋

中图分类号：TU444            文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)S1-0297-07

Characteristics of combination section between new and old embankment during road’s reconstruction and

expansion based on centrifugal model test

YAN Qiu-rong^{1, 2}, LIU Yong-jiang²

(1. School of Civil Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China;

2. Chongqing Communications Research and Design Institute Co., Ltd., Chongqing 400067, China)

Abstract: In order to study stability and unequal settlement of combination section between new and old embankment during reconstruction and expansion rod, unequal settlements, lateral displacements of slope face, lateral pressure at the end of the slope and displacement fields were studied through centrifugal model test. At the same time, the effect of reinforcement treatment to the combination section was also discussed. The results show that to some extent, the stability of the combination section between new and old embankment depends on the slop of roadbed and the width of the new constructed embankment. But the unequal settlement depends on the thickness of the new constructed embankment. Reinforcement treatment to the combination section can improve the combinations stability and reduce unequal settlements effectively.

Key words: road engineering; combination section of new and old embankment; centrifugal model; stability; unequal settlement; reinforcement

我国在20世纪80年代中期确立了发展高速公路的方针，1984年开工建设大陆第一条高速公路——沪嘉高速公路，并于1988年建成通车，至2010年底，全国通车里程达65×10⁵ km。在我国经济建设大力发展的同时，一些早期建设的高速公路已不能满足现阶段的要求，必须进行拓宽建设，如沪宁高速公路、沈大高速公路、泉厦高速公路等，而有些高速公路则是因为分期建设(如先建左线或右线)，均存在新旧路基结合的问题。

已修筑的路堤，其沉降已基本趋于稳定，而新填筑的搭接部分，在填筑过程中和完成后本身将产生沉降，新填筑路堤对旧路堤的附加应力叠加还会诱发旧路堤产生沉降和变形，引起新旧路堤之间的不均匀沉降。因此，在新旧路堤结合的路段，尤其是高填方路段的加宽结合，在设计与施工中必然存在一些技术问题需要研究解决^[1-5]。目前这方面的研究尚属于一项较新的工程技术，其变形性态、设计理论及经济合理的处治方式等方面可借鉴的实用资料尚不多。为此，本文作者利用离心模型试验^[6-13]研究不同坡度地基条件下，新填筑路堤不同部位的变形及沉降规律；新路堤不同填筑宽度情况下新旧路堤的变形及沉降规律；土工格栅对新旧路堤结合的加筋作用。

1  原理

根据离心模型试验基本原理及等应力相似理论，即模型加速度放大n倍，模型的几何尺寸为原型的1/n，若模型采用原型材料，则离心试验中的相似比尺(原型/模型)如表1所示，按此相似比尺即可用离心模型对原型进行模拟。

2  试验方案

本次试验模型参照广东汕(头)—梅(州)高速公路莲花山隧道梅州端左线K90+475~K90+635联接线段不同断面为原型制作相似模型，并在此基础上再根据试验目的改变路基填筑高度、宽度及斜坡地基坡度，对比不同的加筋方式，制作了6个模型进行试验(M1~M6)，如图1所示。

试验在西南交通大学的100 g·t，最大半径3 m，有效半径为2.7 m，最大加速度200 g，对10~200 g可调的土工专用离心机上进行。模型试验模拟实体工程处于最不利的状态，考虑到路堤填筑完工后初期为稳定性的最危险时期，同时固结变形也较大，因此确定在试验中模拟路堤完工后一年半内的固结、变形情况。各模型在离心机上的运行时间如表2所列。离心机加速到100 g约需8 min，从100 g减速到0 g约需7~8 min，因此此次试验相当于原型在略长于一年半的时间内固结。

根据试验目的，在模型制作时，首先将用于斜坡旧路堤的填料按压实度82%在模型箱内分层击实成型，然后用刮刀按图1中不同模型的设计坡比削坡，之后，开起离心机，在100 g加速度下稳定运行80  min，相当于现场固结一年半时间，认为旧路堤已固结完毕。在旧路堤上开挖台阶，宽度为2 cm(对应于原型路堤中为2 m)，再按82%压实度分层填筑新路堤后削坡而成，新旧路堤结合后在100 g加速度下运行80 min。

对于加筋模型路堤，由于模型用土的最大粒径较大(10 mm)，加筋层间距选择为2 cm，相当于实际路堤加筋层间距为2 m。另外按图1所示尺寸在M3~M6 4个模型坡角埋设竖向土压力传感器，以观测新填路堤对坡角处的作用力。

表1  常见物理量的相似比尺^[14]

Table 1  Similarity scale of general physical quantities^[14]

图1  模型形状及尺寸

Fig.1  Model shape and dimension

表2  离心试验模型情况

Table 2  Quick facts of centrifugal test models

3  材料的选择

3.1  填土材料

试验填料选用工地现场土石混合料，原型级配如表3所列，该填料最大干密度为2.15 g/cm³，最佳含水量为7.80%，90%压实度时内摩擦角为29.9°，粘聚力为38.9 kPa。

研究表明^[15]，模型结构物(在此主要指模型箱)尺寸与填料最大粒径之比不小于23，本次试验采用的模型箱宽度为40 cm，其最大粒径为：

cm

考虑到制作新旧路堤结合模型时开挖台阶的难易程度，模型试验用料采用最大粒径为1 cm，以相似级配法处理原型级配。模型试验采用的填料级配如表4所列。

表3  原型填料级配

Table 3  Gradation of prototype fillings        %

表4  模型填料级配

Table 4  Gradation of model fillings         %

3.2  加筋材料的选择

根据相似理论，加筋材料的相似条件为^[14]：

式中：E为筋材的弹性模量；A为筋材截面积；T为筋材单位长度抗拉断裂强度；下标m表示模型，下标p表示原型。

本次试验模型土工格栅采用一种纱窗加工而成，拉伸模量为10 kN/m²。模型相似比为100，根据纱窗所能提供的总拉伸模量换算为原型加筋层厚为50 cm，原型中土工格栅的拉伸模量为250 kN/m²。

4  结果与分析

由于本次试验各模型相似比均为100，各模型加载时程曲线几乎为同一曲线，均为加载8 min左右到达100 g加速度，稳定运行80 min后减速7 min左右时离心机停止运行，相当于原型路堤固结一年半左右。因此，各种不同试验方案的试验结果具有可比性。

为了便于比较分析，将试验测试结果分别整理成位移图和土压力测试表。图2~3所示为M1模型的试验照片。各模型试验位移测试结果如图4~9所示，各位移矢量图中箭头方向为位移方向，各矢量大小相对模型放大10倍。

从各模型的位移图上可以看出，6个模型的竖向沉降位移均随着路堤的整体高度的增加而增大，并在新旧结合部有一定的不均匀沉降，换算为原型位移，M1有8.8 cm，M2有11.3 cm，M3有12.6 cm，M4有13.4 cm，M5有8.4 cm，M6有5.2 cm。而M1，M2，M3，M4，M5和M6各模型坡顶A点处新路堤覆盖土层高度分别为6.4，9.6，10.6，10.8，16和10.6 m。M1，M2，M3和M4 4个模型由于上覆新路堤土层厚度依次增大，其不均匀沉降大小有所加剧，因此，从试验结果来看，在各模型均处于稳定工作状态时，不均匀沉降的主因应是上覆新路堤可压缩土层厚度，而不是地基坡度的倾斜度。由M3和M6的位移图比较可知，加筋路堤模型由于筋体的约束作用，其不均匀沉降得到很大程度的改善，降低了40%~50%的不均匀沉降。由M5和M6的位移图则可以看出：加筋对预防不均匀沉降的作用随着地基坡度的增加而有所下降，但总的来说，效果不错。

图2  M1旧路堤试验后照片

Fig.2  Picture after M1 old embankment test

图3  M1新旧结合路堤试验后照片

Fig.3  Picture after M1 test of new and old embankment combination

图4  M1模型位移图

Fig.4  Displacement diagram of model M1

图5  M2模型位移图

Fig.5  Displacement diagram of model M2

图6  M3模型位移图

Fig.6  Displacement diagram of model M3

图7  M6模型位移图

Fig.7  Displacement diagram of model M6

各模型中坡脚测试点土压力测试结果如表5所列。

图8  M4模型位移图

Fig.8  Displacement diagram of model M4

图9  M5模型位移图

Fig.9  Displacement diagram of model M5

表5  各模型坡脚侧向土压力实测值与计算值对比

Table 5  Comparison of measured and calculated lateral soil pressures at model slope ends

各模型路堤坡面水平位移的基本趋势是上部小、中下部大、下部小，呈“腰鼓”状态。各模型坡面顶点A点的水平位移变化趋势如图10所示，各模型坡面水平位移最大值变化趋势如图11所示。

从图10~11可以看出：M3模型坡面顶点A点的水平位移、坡面水平最大位移均最大，稳定性相对较差，加筋处理后，稳定性有了较大的改善，如M6；同样是加筋处理，M5模型因为旧地基坡度较陡，坡面水平位移较M6有所增大；M1与M2路堤结构相似，M2因新填路堤宽度较大而导致坡面水平位移较大；在所有各模型中M4的坡面水平位移最小，稳定性相对较好。

图12所示为各模型坡角侧向土压力的监测结果，M3模型坡脚侧向土压力实测值较按常规计算方法P=k₀ρ·g·h计算值增幅最大，M5模型次之，M6较小，而M4模型反而有所降低。当路堤结构尺寸相同时，加筋能明显改善坡角的应力状况，提高整体路堤的稳定性，这与坡面水平位移的结果是一致的。

图10  各原型路堤A点水平位移趋势

Fig.10  Trend of horizontal displacements at point A of prototype embankments

图11  各原型路堤坡面最大水平位移趋势图

Fig.11  Trend of maximum horizontal displacements of slope surfaces of prototype embankments

图12  各原型路堤新旧结合部坡角侧向土压力监测情况

Fig.12  Monitored lateral soil pressures at slope ends of combination of new and old embankments of prototypes

5  结论

(1) 各种工况下的整体路堤均处于一种良好的工作状态。

(2) 地基坡度、路堤高度相同的情况下，新旧路堤结合部顶面的不均匀沉降随着新填路堤宽度的增大而有所增大，其路堤整体稳定性有所降低。

(3) 地基坡度变陡时，如地基坡度从1:2.5变陡到1:1.5，新旧结合部顶面的不均匀沉降明显加剧，路堤整体稳定性随之降低。

(4) 对新填路堤进行全幅加筋能有效改善新旧结合部顶面的不均匀沉降状况，提高加筋后路堤的整体性，能加固边坡，并提高其稳定性。同时，对新填路堤进行加筋处理能有效收陡地基坡度及整体路堤边坡坡度。

(5) 地基坡度较缓时(为折线形地基，上部坡度1:2，下部坡度1:5)， 新旧结合部顶面的最大位移沉降现象较为明显，堤顶差异沉降也增大。这是因为相同高度路堤在各种不同坡度地基条件下，折线形地基上新填路堤可压缩层厚较大，导致了不均匀沉降加剧，因此，折线形地基上新填路堤时应充分碾压。而在稳定性方面，折线形地基上新填路堤的整体稳定性比陡坡地基时有一定程度的提高。

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(编辑 李向群)

收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15

基金项目：广东省交通科技项目(2008-02-015)

通信作者：严秋荣(1978-)，男，福建仙游人，硕士，副研究员，从事公路地质灾害、路基工程及环境岩土工程等领域研究；电话：023-62653518; E-mail: yanqiurong@cmhk.com