高速公路擴(kuò)建工程路基拼寬動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

李亞平

(安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，安徽合肥 230088)

路基拓寬工程病害的根源是新老路基的不協(xié)調(diào)變形，新老路基不協(xié)調(diào)變形主要由新老路基結(jié)合部的蠕滑或滑移、新路基的壓縮變形以及新老路基的地基沉降差異三部分組成;在不同拓寬條件下，導(dǎo)致工程病害的主導(dǎo)變形也不盡相同，應(yīng)進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)提高工程質(zhì)量。

1 拼寬路基設(shè)計(jì)

1.1 控制標(biāo)準(zhǔn)

為保證新老路基的良好銜接，參照國內(nèi)外高速擴(kuò)建經(jīng)驗(yàn)提出控制標(biāo)準(zhǔn)為：原路基中心與新路肩的橫坡度增大值應(yīng)小于0.6%，與原公路橫坡相比不得出現(xiàn)反坡。拼接路基施工后，原路中心附加沉降增量應(yīng)小于50 mm。加寬路基計(jì)算總沉降小于15 cm、工后沉降小于5 cm，新老路基差異沉降小于5 cm。

1.2 拼寬位置的選擇

為了提高老路基強(qiáng)度，保證新建路面下基層強(qiáng)度的均勻性，將原老路土路肩和硬路肩全部挖除，硬路肩與第三、第四車道為新建路面，按行駛大、中型車進(jìn)行路面設(shè)計(jì)。拼接縫設(shè)置在第二、三車道畫線處。

1.3 清坡、削坡、挖臺(tái)階處理

老路基邊坡進(jìn)行30 cm厚的清坡處理和削坡處理。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，老路邊坡填土松散，部分路段存在灌木及少量高大樹木。為了提高新老路基拼接質(zhì)量，提高拼接部路基填土壓實(shí)度，確定當(dāng)拼寬段填土高度小于等于3 m時(shí)，老路邊坡削坡坡率為1∶1，拼寬段填土高度大于3 m時(shí)，老路邊坡削坡坡率為1∶1.25。

在原路基邊坡上同時(shí)自下而上開挖臺(tái)階，開挖一級(jí)及時(shí)填筑一級(jí)，并按壓實(shí)度要求進(jìn)行碾壓，第一級(jí)臺(tái)階開挖尺寸為120 cm×120(150)cm，以上各級(jí)臺(tái)階開挖尺寸為80 cm×80(100)cm，最上一級(jí)臺(tái)階由老路基邊緣向內(nèi)3.5 m開挖原路床80 cm，重新?lián)交液蠡靥罴庸獭?/p>

1.4 土工合成材料的應(yīng)用

老路擴(kuò)建成敗的關(guān)鍵之一就是避免因新老路基不均勻沉降而產(chǎn)生的縱向開裂，運(yùn)用土工合成材料能有效地增強(qiáng)老路基與拼接路基土體間的聯(lián)接性，限制和協(xié)調(diào)路基土體的變形，使荷載均勻分布，提高拼接路基的抗剪強(qiáng)度，增強(qiáng)拼接路基的整體性。

根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)，土工材料應(yīng)用如下：

在新老路基交界處原路床開挖范圍內(nèi)，路床頂面以下20 cm設(shè)置一層土工格柵，主應(yīng)力方向沿路基橫向鋪設(shè)。路基基底設(shè)置1～3層土工格柵，當(dāng)填土高度小于3.0 m時(shí)，在基底鋪設(shè)一層土工格柵，填土高度3～5 m時(shí)，分別在基底、底面以上20 cm處各鋪設(shè)一層土工格柵;填土高度大于5 m的路段底面鋪設(shè)3層土工格柵。

2 施工過程的優(yōu)化及改進(jìn)措施

2.1 正常通車狀態(tài)下臺(tái)階的優(yōu)化

根據(jù)設(shè)計(jì)拼寬填筑前應(yīng)先對(duì)老路路基邊坡進(jìn)行清坡、削坡處理。對(duì)于填方高度的老路基，植被及老路防護(hù)已事先清除，且坡腳最下層臺(tái)階開挖斷面較大，考慮到京臺(tái)高速交通量巨大，如中斷交通將給周邊路網(wǎng)帶來極大壓力。在施工過程中，個(gè)別較高填方段在開挖臺(tái)階后路面出現(xiàn)微小裂縫，老路路基穩(wěn)定問題直接影響到改建施工及高速公路的運(yùn)營。

查閱相關(guān)高速公路擴(kuò)建工程路基拼寬的相關(guān)文獻(xiàn)，采用有限元模擬的手段進(jìn)行模擬，結(jié)合現(xiàn)場施工情況，在保證清除邊坡坡面上的松散土、草根、灌木的基礎(chǔ)上對(duì)各個(gè)臺(tái)階高度、寬度進(jìn)行調(diào)整。對(duì)不同的臺(tái)階進(jìn)行模擬和試算。

臺(tái)階的尺寸的確定要考慮以下幾個(gè)方面因素：開挖后路基的穩(wěn)定性、臺(tái)階尺寸的施工可行性、新老路基搭接長度。經(jīng)過比選，確定優(yōu)化后的開挖臺(tái)階方案為：取消削坡;將臺(tái)階尺寸由80 cm×80(100)cm改為80 cm×110 cm;將最下層臺(tái)階開挖線向老路外平移50～150 cm;確保在不同填土高度下的最下層臺(tái)階最大凌空面高度為160 cm。

2.2 臺(tái)階開挖方案的有限元分析

2.2.1 有限元分析模型的建立

根據(jù)本項(xiàng)目的施工圖設(shè)計(jì)文件及現(xiàn)場施工情況確定計(jì)算模型的相關(guān)尺寸、地基土力學(xué)參數(shù)及填筑土方力學(xué)參數(shù)。其中，老路路堤填筑時(shí)間超過十年，當(dāng)時(shí)的壓實(shí)密度高，其壓縮模量及泊松比接近新建路堤土體;老路基底土體固結(jié)度亦較高;拼寬部分基底土體的壓縮模量小且泊松比大。根據(jù)施工現(xiàn)場所作土工試驗(yàn)結(jié)合江淮地區(qū)類似工程經(jīng)驗(yàn)確定主要的力學(xué)參數(shù)。

調(diào)研結(jié)果與《宜昌市裝備制造業(yè)人才白皮書》相似：宜昌市有關(guān)機(jī)械制造專業(yè)群的高端技能人才嚴(yán)重缺乏；宜昌市裝備制造業(yè)最緊缺的高技能人才崗位見圖1：

根據(jù)原設(shè)計(jì)及優(yōu)化設(shè)計(jì)的開挖臺(tái)階方案建立有限元模型，對(duì)兩種方案分別進(jìn)行有限元分析。

2.2.2 有限元分析結(jié)果

經(jīng)過有限元分析，可知如按原設(shè)計(jì)施工，最下層臺(tái)階的實(shí)際開挖高度達(dá)到2.5 m，此處的受力是整個(gè)開挖面上最薄弱的位置。模擬計(jì)算的最大變形達(dá)到近19.2 cm，而且臺(tái)階面出現(xiàn)密集的塑性點(diǎn)，土體雖未發(fā)生破壞但已發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形，考慮到路基施工期跨越多雨季節(jié)，開挖面穩(wěn)定更難以保障。

根據(jù)優(yōu)化后的削坡、挖臺(tái)階方案建立計(jì)算模型，計(jì)算所得最大變形達(dá)到近5.53 cm，土體尚處在彈性變形范圍內(nèi)。

從計(jì)算所得的剪應(yīng)變看，原設(shè)計(jì)可能的圓弧形滑動(dòng)面半徑較小且經(jīng)過臨空面最下端，此開挖臺(tái)階方案可能沿此滑動(dòng)面發(fā)生滑移;而優(yōu)化設(shè)計(jì)的圓弧形滑動(dòng)面半徑較大且無剪出口，此方案不會(huì)發(fā)生滑移。從計(jì)算結(jié)果看，原設(shè)計(jì)中共有19.3%的節(jié)點(diǎn)處在受拉力狀態(tài);而優(yōu)化設(shè)計(jì)中共有13.3%的節(jié)點(diǎn)處在受拉力狀態(tài)。

2.3 施工過程中改進(jìn)措施

原設(shè)計(jì)清坡厚度為0.3 m，在實(shí)際施工中發(fā)現(xiàn)邊坡植被根系深入邊坡達(dá)1.5 m，個(gè)別根系長數(shù)米。經(jīng)現(xiàn)場挖探發(fā)現(xiàn)，邊坡表面0.5 m屬于根系密集層，江淮地區(qū)老路邊坡清坡厚度宜設(shè)置為0.5 m。

經(jīng)比選，采用7%石灰土換填的效果較好且不至于過多增加造價(jià)，是較為合理的老路底面處理方案。

3 結(jié)束語

表1 老路路床底面換填材料比較表

施工現(xiàn)場根據(jù)優(yōu)化后的開挖臺(tái)階方案進(jìn)行施工，并對(duì)危險(xiǎn)的填方較高路段、臨水路段進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，完成了拼寬路基的填筑，在采用優(yōu)化后的臺(tái)階方案施工的路段未發(fā)現(xiàn)路面開裂、臺(tái)階滑塌等情況?，F(xiàn)場實(shí)踐證明了優(yōu)化方案較原設(shè)計(jì)方案更為合理。

路基拼寬施工中，開挖臺(tái)階是減少新老路基差異形變的有效手段，臺(tái)階尺寸的確定由施工可行性、搭接有效性、臨空面的穩(wěn)定性、土工織物的搭接長度等方面確定。經(jīng)過不斷試算得出江淮地區(qū)臺(tái)階的最佳尺寸，可供相關(guān)工程參考。清坡厚度應(yīng)根據(jù)邊坡植被種類、茂密程度、季節(jié)等加以調(diào)整。老路強(qiáng)度較低情況下應(yīng)作補(bǔ)強(qiáng)處理，本項(xiàng)目所處江淮膨脹土地區(qū)宜采用石灰土補(bǔ)強(qiáng)。

［1］安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院.京臺(tái)高速公路小西沖至方興大道段擴(kuò)建工程施工圖設(shè)計(jì)文件［Z］.合肥.2010.

［2］余?？?高速公路拓寬工程新老路結(jié)合部施工技術(shù)［J］.公路，2004(3)：105－108.

［3］張敬沛，陳星光.拓寬路基工后差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)與分級(jí)［J］.路基工程，2008(4)：80－81.

［4］吳敏，董勛，李玉標(biāo).滬寧高速公路擴(kuò)建工程路面的拼接施工技術(shù)［J］.公路，2009(8)：42－45.

［5］梁新政，何淼.滬寧高速公路擴(kuò)建工程路基拼接處治措施及其作用機(jī)理［J］.公路交通科技：應(yīng)用技術(shù)版，2007(4)：58－61.