軟基條件下高速公路路基拓寬工程施工控制技術(shù)研究

梁玉榮

（山西省公路局 太原分局，山西 太原 030012）

0 引言

在路基拓寬工程施工中，由于新舊路基施工工況不同，其均勻性、穩(wěn)定性、強(qiáng)度均不同，尤其在軟基條件下，若在施工過程中處理不當(dāng)，極易造成不均勻沉降，導(dǎo)致路基在運(yùn)營過程中產(chǎn)生縱向裂縫、翻漿等病害，嚴(yán)重威脅行車安全，造成社會(huì)資源浪費(fèi)。

為此，國內(nèi)外學(xué)者們針對(duì)高速公路路基拓寬施工技術(shù)已開展了大量而深入的研究工作，取得了一系列的科研成果。蔣洋[1]針對(duì)路基拓寬工程中新舊路基不均勻沉降的病害，利用數(shù)值模擬和室內(nèi)模型手段分析其產(chǎn)生機(jī)理、變形規(guī)律，并有針對(duì)性地提出了處治方案；呂勇[2]結(jié)合葉信高速公路路基拓寬工程，提出了路基拓寬工程的設(shè)計(jì)原則，探討了路基拓寬施工技術(shù)；嵇如龍[3]依托某軟土地基路基拓寬工程案例，針對(duì)其不均勻沉降及路面開裂病害，深入分析其現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出處治方案；夏英志[4]結(jié)合鄭漯高速路基拓寬工程案例，針對(duì)其施工病害，提出路基拓寬變形協(xié)調(diào)控制原則，深入分析了處治措施及效果。

本文依托某軟基條件下高速公路路基拓寬工程，深入分析其工程特性，有針對(duì)性地制定“強(qiáng)夯法+增設(shè)土工格室或土工格柵”的施工控制技術(shù)，并利用有限元軟件模擬分析其施工控制效果，其研究成果可為類似工程提供技術(shù)支撐。

1 工程概況

某高速公路為雙向四車道，其原有路基填高8 m，路基頂面寬度為26 m，路基邊坡坡率為1∶1.5。近年來隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，該高速公路交通量劇增，實(shí)際交通量已遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)交通量。根據(jù)交通規(guī)劃，將原有四車道改建為雙向八車道，原路基寬度26 m拓寬為42 m，設(shè)計(jì)時(shí)速由100 km/h改為120 km/h，從而減緩當(dāng)前擁堵狀況。

該路基工程地處中山丘陵地帶，屬于河谷堆積地貌，由于該工程位于嘉陵江流域，地表水系發(fā)育，地下水類型主要為基巖裂隙水、第四系松散堆積體孔隙水，其對(duì)路基工程影響較大。路基巖性以砂性泥巖為主，其以黏土礦物質(zhì)為主，含有少量石英、鈣泥質(zhì)，呈薄層狀構(gòu)造，且其風(fēng)化程度高，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較為破碎，局部呈粉末狀、碎塊狀，其具有脫水干裂、浸水軟化的特性，屬于典型的軟弱地基，其具體情況如圖1所示。

圖1 路基拓寬施工現(xiàn)場情況

2 施工控制技術(shù)

為減小本項(xiàng)目路基拓寬工程中新拓寬路基部分的沉降量，減小或消除新舊路基的差異沉降，避免路基運(yùn)營后產(chǎn)生裂縫、翻漿等病害，結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際情況，經(jīng)專家論證后，采用軟弱地基換填砂礫石，并進(jìn)行強(qiáng)夯處理，并增設(shè)土工格柵和土工格室。

2.1 強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法的基本原理在于其利用履帶式起重機(jī)將夯錘起吊，夯錘通過自由落體將勢能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能。在夯錘下落過程中，勢能不斷轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，當(dāng)夯錘作用于路基土體時(shí)，動(dòng)能大部分轉(zhuǎn)換為壓縮功，對(duì)路基土體產(chǎn)生壓縮作用，其余一部分轉(zhuǎn)換成聲波，另一部分與土體摩擦產(chǎn)生熱能。因此，通過強(qiáng)夯處理后，路基土體孔隙比大幅下降，壓縮模量、承載力大幅提高，增加了新舊路基的均勻性，消除不均勻沉降。

圖2 強(qiáng)夯施工現(xiàn)場情況

2.2 增設(shè)土工格室或土工格柵

為進(jìn)一步增大新舊路基之間的橫向連接，提高路基承載力，避免新舊路基的不均勻沉降，本項(xiàng)目在路基拓寬施工過程中，強(qiáng)夯完成后，增設(shè)土工格室或土工格柵，形成土體加筋體，當(dāng)路基承受荷載時(shí)，加筋體共同受力，筋材與周圍土體產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)變，進(jìn)而產(chǎn)生相對(duì)摩擦，提高了路基的整體強(qiáng)度。

根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際情況，在試驗(yàn)段K52+700—K53+200共計(jì)500 m加鋪土工格室。該土工格室高度為100 mm，焊接間隔為（300×300）mm，其筋材厚度為1.2 mm，其具體情況如圖3所示。在其施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制填料粒徑，不得大于12 mm；嚴(yán)禁直接用運(yùn)料車將填料傾倒入土工格室內(nèi)，避免砸壞土工格室，應(yīng)人工配合慢慢填筑；填筑高度超過土工格室高度10 cm后，再進(jìn)行碾壓夯實(shí)。

圖3 土工格室現(xiàn)場鋪設(shè)情況

由于土工格柵縱橫向均具有較強(qiáng)的承載能力，結(jié)合本項(xiàng)目的實(shí)際情況，選取試驗(yàn)段K54+800—K55+600共計(jì)800 m加鋪兩層土工格柵。在強(qiáng)夯完成后鋪設(shè)第一次土工格柵，并用“U”型釘將其固定在路基表面，回填砂礫石25 cm厚，分層碾壓后，將露出部分（長度不小于30 cm）折回后用“U”型釘固定在該碾壓層表面，然后鋪設(shè)第二層土工格柵，依次類推，從而形成加筋體，其具體情況如圖4、圖5所示。

圖4 土工格柵結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 土工格柵布設(shè)位置示意圖

3 施工效果評(píng)價(jià)

為全面評(píng)價(jià)本項(xiàng)目所采用的施工技術(shù)對(duì)路基拓寬差異沉降的控制效果，采用數(shù)值模擬手段，分別模擬分析強(qiáng)夯（工況1）、強(qiáng)夯+增設(shè)土工格室（工況2）、強(qiáng)夯+增設(shè)土工格柵（工況3）3種工況下路基沉降情況。鑒于研究對(duì)象在幾何上為中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)，因此只取右半幅路基進(jìn)行模擬分析[5]。在本模型中，路基高度為8 m，路基半幅寬度為13 m，路基拓寬部分寬度為8 m。在邊界方面，模型左右兩側(cè)及下表面為限定邊界，上表面為自由表面，其相關(guān)材料物理力學(xué)參數(shù)如表1所示，所得模擬分析結(jié)果如圖6～圖8所示。

表1 路基材料相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)

圖6 工況1路基沉降云圖

圖7 工況2路基沉降云圖

圖8 工況3路基沉降云圖

從圖6～圖8中可以看出，當(dāng)對(duì)拓寬路基僅施作強(qiáng)夯時(shí)，其沉降范圍較大，已導(dǎo)致坡腳處產(chǎn)生較大范圍的沉降，極易引起路基整體剪切破壞；沉降最大值產(chǎn)生在拓寬路基靠近邊緣一側(cè)，其最大值達(dá)到了13.53 cm。當(dāng)采用強(qiáng)夯+增設(shè)土工格室的施工技術(shù)后，路基沉降范圍明顯減小，僅分布在路基邊坡處，但仍存在路基垮塌、滑移的危險(xiǎn)；其最大值分布在拓寬路基靠近邊緣一側(cè)，其最大值為7.07 cm，較僅施作強(qiáng)夯法的路基沉降最大值減小47.7%。當(dāng)采用“強(qiáng)夯+增設(shè)土工格柵”時(shí)，其沉降范圍大幅減小，僅在拓寬路基處產(chǎn)生沉降，其最大值為4.62 cm，較僅施作強(qiáng)夯法的路基沉降最大值減小65.9%?？梢姡瑑H采用強(qiáng)夯處理時(shí)，無法避免新舊路基的差異沉降，且強(qiáng)夯荷載作用下新路基導(dǎo)致該側(cè)產(chǎn)生大范圍沉降，不利于整體穩(wěn)定；而當(dāng)采用增設(shè)土工格室或土工格柵后，增大了新舊路基的橫向連接，提高了路基整體承載力；由于土工格柵較土工格室具有更強(qiáng)的土體變形協(xié)調(diào)的能力，采用土工格柵后，產(chǎn)生更大的摩擦力，其路基整體穩(wěn)定性更強(qiáng)。

4 結(jié)論

本文結(jié)合某軟基條件下高速公路路基拓寬的工程案例，總結(jié)分析其工程特性，有針對(duì)性地提出施工控制方案，并利用數(shù)值模擬手段對(duì)施工控制技術(shù)進(jìn)行全面評(píng)價(jià)，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

a）對(duì)拓寬路基僅施作強(qiáng)夯時(shí)，無法避免新舊路基的差異沉降，且強(qiáng)夯荷載作用下新路基導(dǎo)致該側(cè)產(chǎn)生大范圍沉降，不利于整體穩(wěn)定。

b）采用強(qiáng)夯+增設(shè)土工格室的施工技術(shù)后，路基沉降范圍明顯減小，僅分布在路基邊坡處，但仍存在路基垮塌、滑移的危險(xiǎn)。

c）采用增設(shè)土工格柵后，增大了新舊路基的橫向連接，提高了路基整體承載力，使其具有更強(qiáng)的土體變形協(xié)調(diào)能力，路基整體穩(wěn)定性更強(qiáng)。