摘要：通常采用深层搅拌法改善公路工程中厚层沉积软土地基，特别是在桥梁引近段。在这些工程中，人为地形成了不均匀的基础，这可能导致路堤运行后的不同沉降。为了解决这个问题，通常采用两种方法，即（1）改变柱间距和（2）改变柱长。本文首先讨论了不同斜率比的控制标准，然后考虑了许多地质和公路组合情况，对上述两种方法进行了有限元仿真。结果表明，基于最大坡度的不同坡度比与刚度比和柱长比之间关系的概率模型可以克服这一问题。最后，提出了控制相对刚度比和相对长度比的经验设计方法。
关键词：设计方法；桥梁引道；深层搅拌法；最大坡率
一、介绍
公路沿线路堤、桥梁、涵洞等结构交替存在。在路堤和结构物中，为了保证公路的行驶舒适性和安全性，预先设置了引道或过渡带，以减少不同的沉降量。如果没有很好地控制引道或过渡段的不同沉降，则会出现隆起或路面裂缝。例如，涵洞处有一个凸起，由桩支撑，其两个边界由地面支撑。有一个位于海相粘土区的一条公路的实例，在该公路上，分别采用了预压法和深层搅拌法等多种地基改良方法。这些现象的本质是公路运营后的不同沉降和坡度。
为了避免这些问题，过渡带设计通常是专门设计的，通常采用以下三种形式：（1）在运行一段时间后在现有路面上覆盖一个新的路面；（2）在过渡带路面下设置一个混凝土垫层；（3）逐渐控制或改变过渡带路面的刚度。其中，（3）是最有效和最基本的。地基的刚度可以通过在工程实践中改变柱间距和柱长度来实现。
二、不同坡率最大值控制标准
最大差异坡率i[1]最大值定义为作业后路面的坡度变化，因为施工期间可以调整几何尺寸，其控制标准取决于每个国家的路面功能、驾驶舒适性和设计使用寿命。在我国，从路面功能、路面强度、行车安全性和舒适性等方面对这一课题进行了大量的研究，其研究成果概括为，平整度要求：我国《公路工程技术标准》规范建议，路面运行后的最大坡度变化应为在软土地基上修建高速公路时不到0.5%，而《民航机场道面技术规范》则认为，路面坡度最大变化为0.46%。路面强度：我们分析了沥青混凝土路面的性能，发现这种路面的最大不同沉降量（5cm）不会弯曲和开裂，这意味着路面坡度的最大变化为0.4%。驾驶安全性和舒适性：我们用国际标准（ISO2631-1:1997e）对90-100km/h速度下的汽车驾驶舒适性进行了评价，发现当路面坡度最大变化小于0.4%-0.6%时，可接受驾驶舒适性。此外我们也讨论了不同坡率的控制标准。根据上述分析，不同坡率的控制标准在后期分析中预设为0.4%。
三、数值分析模型及参数
为了进行这项研究，首先选择位于中国东部连云港市的一个公路案例作为数值模拟模型[2]。通过现场观测，对模拟结果和变形行为进行了验证，并对其进行了详细的分析。
在此基础上，对路堤高度d、软土厚度h、软土模量、柱间距和长度进行了推广，分析了不同坡率变化的条件效应。为降低分析难度，根据连云港市地质调查和堤防设计，软土渗透系数[3]预设为0.9*10-7cm/s，柱径预设为0.5m，柱模量（ep）预设为100MPa。改良地基的复合模量计算为esp=（1-m）es+mep，其中m定义为柱置换率。注意，粘土和路堤也采用了Morh-Columb强度标准，而深层搅拌法考虑了加固区的弹性标准。另外，由于施工期出现的坡率差是可以补救的，我国公路的使用年限为15年，因此施工期预设为2年，运营期分别为15年。
四、结果分析
4.1方法1：更改列间距
对于每种组合情况，可获得十五年运行时的最大斜率差imax。为了进一步分析不同坡度比与工况之间的关系，提出了组合参数d*h/es和imax/ln（n），其中n定义为两个区的刚度比（柱间距较小的复合模量与间距较大的复合模量之比；或较大的复合模量之比）。结果发现该关系可以表示为max（i）=1/k*ln（n）*d*h/es，其中k是拟合参数。在此表达式中，如果k在常数n、d、h和es下较大，则获得较小的max（i），如果k值相反，则获得较大的max（i）。因此，K值的确定取决于项目的不安全性和经济性。这个引入概率优化[4]问题。统计分析表明，K值呈正态分布，平均值为27.5，方差为7.5。如果k值选为20.0，概率安全率达到83.3%，可以接受经济性和通气安全性，因此关系可以表示为max（i）=0.05*ln（n）*d*h/es。利用该表达式，可计算最大i（0.4%作为控制标准）、路堤高度d、软粘土深度h和软粘土模量，相对刚度比n，并可调整深层搅拌柱间距。
4.2方法2：更改柱深度
这种情况比方法1更复杂，因为如果我们切割部分深层混合柱，存在两个最大斜率差imax1和imax2。尽管如此，使用数值模拟模型中的组合也可以获得十五年运行后的最大斜率差imax1和imax2。为了进一步分析差异和情况条件之间的关系，在参考分析方法1后，还提出了组合参数d*h/es和imax/ln（1/β），其中定义为两个区域的长度比（较长的长度比和较短的长度比）。max（i1）和max（i2）可分别表示为参数d*h/es和ln（1/β）的函数。
在图中，d*h/es和max（i1）/ln（1/β）和max（i2）/ln（1/β）之间也分别存在良好的关系。一项的平均k值为78.6，方差为16.8，另一项的平均k值为35.5，方差为28.5。
图d*h/es与max（i）/ln（1/β）之间的相关性
五、结论
过渡带设计是公路工程中的一个关键环节，但目前还没有一种对称的设计方法。本文采用数值有限元法模拟了不同坡率随柱间距和过渡带深度的变化情况。然后建立了最大坡度比与地基参数之间的概率关系。主要结论如下：
（1）根据最大不同坡率的控制标准，发现过渡带深层搅拌柱的刚度比和长径比是比较有用的参数。
（2）经统计分析后，建立了经验公式指导设计。
（3）由于连云港市公路案例刚刚建立了数值模拟模型，参数k等应与其他详细项目一起重新计算和验证。
参考文献
[1]王文洋.一级公路路基拓宽差异沉降影响因素及控制标准分析[D].2015.
[2]尚岳全.岩体稳定和区域稳定数值模拟模型边界条件确定方法[J].岩石力学与工程学报，1999，18(2):201-204.
[3]叶为民，钱丽鑫，白云， et al. 由土–水特征曲线预测上海非饱和软土渗透系数[J].岩土工程学报，2005，27(11):1262-1265.
[4]李玉强，崔振山，阮雪榆，et al. 6σ概率优化设计方法及其应用[J].中国机械工程，2004，15(21):1916-1919
论文作者:张明祥
论文发表刊物:《新材料·新装饰》2018年8月上
论文发表时间:2019/3/13
标签：路面论文; 坡度论文; 过渡带论文; 路堤论文; 刚度论文; 方法论文; 间距论文; 《新材料·新装饰》2018年8月上论文;