公路是基础设施建设的重要组成部分, 而在山区尤其是陡坡地形修建公路时, 由于山区地形地貌的特点, 往往会造成较大的山体扰动、水土流失以及森林植被破坏等, 并且容易诱发岩推、滑坡、泥石流等不良地质灾害。因此, 山区公路建设中的生态保护问题显得尤为重要, 如何降低对自然山体造成的扰动和破坏, 是实现山区公路建设与环境保护可持续发展的关键课题^[1]。

目前, 山区公路路基设计通常采用的结构形式有一般整体式、一般分离式、大跨度棚洞及傍山桥等。以在山区40°陡坡地形上修建双向4车道公路为例, 常用的4种路基结构形式合理布置时对山体的扰动程度分别如图1所示。

由图1分析可知, 一般整体式路基的挖方边坡高, 土石方量较大;一般分离式路基虽然挖方高度和土石方量较小, 但是对自然山体扰动范围大;大跨度棚洞采用洞顶回填的方式对自然山体进行创面恢复, 但开挖及回填土石方量较大, 且对结构承载能力要求较高;傍山桥结构对山体扰动较小, 但是造价高、施工难度大。综合考虑环境影响与经济效益等多方面因素, 现有路基结构形式并不适合山区陡坡地形条件下多车道公路的修建。因此, 提出一种对自然山体破坏小、施工难度及造价适中, 并且可对边坡起到较好支挡作用的新型双层行车路基结构, 结构形式及陡坡地形断面布置如图2所示。

将新型双层行车路基与以上4种常用路基在环境影响、工程造价及施工难易等方面进行比较, 比较结果如表1所示。从表1中可知, 新型双层行车路基结构建造难度适中, 造价只有傍山桥及棚洞 (或隧道) 结构的50%, 仅比一般填挖路基高30%, 而对自然山体的扰动范围只有其他路基形式的30%~45%, 综合性价比较高, 因此更加适合山区陡坡地形公路路基设计。

山岭地区地形地质条件复杂, 并且经历了漫长的地质年代才形成自然稳定的生态环境, 对山体的随意扰动会破坏山体的稳定, 并极有可能诱发不良地质灾害。因此, 在山区修建公路时, 不仅需要保证路基结构本身具有足够的强度和稳定性, 边坡的安全与防护也尤为重要。针对以上特点并结合双层行车路基结构的特征, 提出一种“锚索-抗滑桩-框架”复合的路基结构形式^[2], 保证路基强度与稳定性的同时^[3], 对边坡起到较好支挡与锚固作用^[4], 充分确保了行车安全。新型复合路基结构由横梁、纵梁、支撑柱、锚索、抗滑桩等部分组成, 主体结构类似于h形抗滑桩^[5], 其中支撑柱不仅需要承受上层行车荷载, 还要对抗滑桩起到支撑作用, 承受由抗滑桩-横梁传递的部分边坡土压力, 是结构设计选型的关键。对此提出4种可行的双层行车路基结构形式, 分别为直柱式、斜柱式、曲柱式及折柱式, 各结构横断面分别如图3所示。

直柱式结构施工方便, 能承受较大的竖向荷载, 但结构本身水平刚度相对较低, 水平荷载主要由预应力锚索承受。斜柱式结构能同时承受竖向荷载和水平荷载, 对边坡有较好的支挡作用, 但基础倾斜设置不利于施工, 且容易引起附加弯矩。曲柱式类似于拱桥结构, 整体性好, 与预应力锚索结合能对边坡起到较好的支挡作用, 但设计、施工较为复杂。折柱式能承受较大的竖向荷载及边坡传来的水平荷载, 结构受力合理, 施工难度适中。

有限元模型主要由路基主体结构、预应力锚索及边坡土体组成^[6], 其中边坡高15m, 抗滑桩高20m, 结构横向跨度12m, 下层净空高6m, 基础埋深1.6m。路基主体结构材料为C30混凝土, 采用线弹性模型;预应力锚索材料为钢绞线, 采用truss单元模拟;边坡土体按坚硬状态黏性土考虑, 采用MohrCoulomb弹塑性模型。各模型材料参数如表2所示。

模型所受的内部荷载为结构和边坡自重、锚索预应力以及内部产生的接触力, 外部荷载主要是行车荷载。下层路面与地面直接接触, 所受荷载对结构受力几乎没有影响, 主要考虑上层行车荷载。上层结构相当于桥梁结构, 所受荷载按桥梁荷载考虑, 根据JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》, 桥梁结构的整体计算采用车道荷载, 汽车荷载等级为公路-Ⅰ级, 均布荷载标准值q_k=10.5k N/m, 集中荷载标准值p_k=272k N;每束锚索预应力F=600k N, 荷载示意如图4所示。

根据以上材料及荷载参数, 建立4种不同结构形式路基的有限元模型, 如图5所示。

由于原始边坡处于静力平衡状态, 对边坡模型施加重力后会引起较大的位移与变形, 与实际不符, 因此在对模型施加重力及外荷载之前需要对边坡进行初始地应力平衡^[7], 同时对锚索施加预应力。以折柱式为例, 模型初始地应力平衡状态如图6所示。

初始地应力平衡状态, 边坡及预应力锚索产生相应的应力, 而路基结构应力为0。然后分别对4种模型施加重力及相应行车荷载, 运用ABAQUS软件进行分析计算, 得出每种模型结构与边坡的位移及受力情况。

4种最大位移均出现在抗滑桩桩顶处, 其中位移最小的是曲柱式 (6.088mm) , 其次是斜柱式 (6.763mm) 和折柱式 (7.280mm) , 位移最大的是直柱式 (7.881mm) ;边坡的最大位移均出现在与桩顶相接触的边坡坡角及其附近范围内, 位移值略小于相应桩顶位移, 直柱式为6.803mm, 斜柱式为6.532mm, 曲柱式为5.097mm, 折柱式为6.142 mm。各结构及边坡位移相差不大且均远小于规范要求的抗滑桩悬臂长度的1/100及10cm, 说明结构在保证本身安全性与稳定性的同时, 对边坡有较好的支挡作用。结构位移计算结果分别如图7所示。

4种结构形式路基主拉应力与主压应力值及其位置为:直柱式结构主拉应力为3.807MPa, 位于梁柱节点处的横梁上部;主压应力为0.156MPa, 位于梁柱节点处的横梁中下部。斜柱式结构主拉应力为4.424MPa, 位于梁柱节点处支撑柱外侧;主压应力为0.420MPa, 位于梁柱节点处的横梁中下部。曲柱式结构主拉应力为2.735MPa, 位于梁柱节点处的横梁上部;主压应力为0.384MPa, 位于梁柱节点处的横梁中下部。折柱式结构主拉应力为2.665MPa, 位于梁柱节点处的横梁上部;主压应力为0.313MPa, 位于梁柱节点处的横梁中下部。

依据第四强度理论, 4种结构Mises应力最小的是折柱式 (3.167MPa) , 其次是曲柱式 (3.567MPa) 和直柱式 (3.878MPa) , 最大的是斜柱式 (4.088MPa) 。各结构承载力均处在安全范围内, 其中折柱式结构静力稳定性最好。各结构Mises应力计算结果如图8所示。

4种结构位移及应力计算结果综合对比如表3所示。

1) 新型双层行车路基结构具有较好的静力稳定性, 并且对边坡有较好的支护作用。

2) 曲柱式与折柱式结构对边坡支护作用与结构受力性能优于直柱式与斜柱式, 而折柱式结构静力稳定性最为优越, 内力分布合理, 对边坡支护作用也较好, 并且施工难度低于曲柱式, 应为优先选用的结构形式。

3) 横梁与支撑柱相交节点处为结构相对薄弱部位, 实际设计、施工时, 宜通过设置合理加腋及构造配筋等方式改善其受力状况, 增强结构的安全性与稳定性。