高速公路拓寬改造路基沉降差異處治

黃 振 林

(朔州路橋建設(shè)有限責(zé)任公司，山西 朔州 036000)

1 概述

伴隨某省經(jīng)濟(jì)發(fā)展能力的快速提升，省內(nèi)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)質(zhì)量和層次的依賴性日益增長(zhǎng)；隨著高速公路交通運(yùn)輸壓力的不斷突出和增長(zhǎng)，既有高速公路已經(jīng)無(wú)法滿足快速增長(zhǎng)的交通量，因此，高等級(jí)公路的改擴(kuò)建升級(jí)施工近幾年在省內(nèi)蔚然成風(fēng)。

經(jīng)拓寬改造施工后的高速公路同一截面內(nèi)，填方高度不同位置的新、老路基在外荷載作用下的沉降周期不同，由于原有路基已運(yùn)行較長(zhǎng)時(shí)間，路基沉降逐漸趨向于穩(wěn)定；而新路基在荷載作用下的沉降逐步發(fā)展，由于沉降速率及沉降量的差異，導(dǎo)致新舊路基銜接位置出現(xiàn)較大的內(nèi)應(yīng)力，銜接位置在應(yīng)力集中作用下將沿著路基結(jié)構(gòu)沿豎向開(kāi)裂，最終導(dǎo)致路基結(jié)構(gòu)整體脫空、失穩(wěn)，影響高速公路路基、路面結(jié)構(gòu)的承載能力、剛度及整體性。

2 高速公路路基拓寬后銜接位置沉降差異問(wèn)題處治

2.1 高速公路路基拓寬銜接位置豎向開(kāi)裂問(wèn)題

在車輛荷載的長(zhǎng)期、反復(fù)作用下，新老路基銜接位置由于沉降量差異，導(dǎo)致銜接位置出現(xiàn)變形不協(xié)調(diào)問(wèn)題，在局部應(yīng)力集中的影響下，一旦銜接位置的路基抗拉強(qiáng)度無(wú)法滿足局部應(yīng)力，將導(dǎo)致路基結(jié)構(gòu)沿豎向開(kāi)裂；此外，新填筑路基結(jié)構(gòu)在豎向荷載作用下，由于新老路基銜接位置的路基集料相互嵌鎖力無(wú)法滿足填土豎向荷載與自重的合力，新填筑路基容易出現(xiàn)整體的側(cè)向位移，進(jìn)而引起銜接位置的豎向開(kāi)裂，兩種開(kāi)裂機(jī)制的聯(lián)合作用下，導(dǎo)致路基開(kāi)裂、整體脫空、失穩(wěn)，最終導(dǎo)致承重能力局部甚至完全喪失。

除了通車后的影響外，在拓寬改造施工階段的影響也不容忽視。為了保證銜接位置新老路基的搭接可靠度，新舊路基搭接位置呈臺(tái)階狀，由于施工因素影響，開(kāi)挖臺(tái)階并非沿原有路徑平順?lè)植迹瑝簩?shí)機(jī)具在壓實(shí)施工過(guò)程中，難以保證始終作用在臺(tái)階搭接位置。且壓實(shí)機(jī)具在壓實(shí)過(guò)程中，作用區(qū)域仍舊有25 mm～30 mm范圍內(nèi)無(wú)法作用，因此，在新舊路基搭接位置出現(xiàn)結(jié)構(gòu)薄弱層，在后期竣工通車后，將很容易出現(xiàn)破壞。此外，由于省內(nèi)高速公路路基結(jié)構(gòu)層基本為水穩(wěn)碎石基層結(jié)構(gòu)，力學(xué)特性屬于半剛性半柔性基層，由于變形高度較低，在溫差作用下將導(dǎo)致路面基層出現(xiàn)不均勻收縮。在溫差值為負(fù)時(shí)，路面基層收縮，由于二者沉降非協(xié)調(diào)， 造成搭接位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，一旦收縮行為被約束，將誘導(dǎo)出現(xiàn)縱向裂縫，基層開(kāi)裂反射至路面表面，表現(xiàn)為路面龜裂；溫差值變?yōu)檎龝r(shí)，路面基層收縮裂縫閉合，在溫差正負(fù)反復(fù)循環(huán)作用下，最終導(dǎo)致路面病害大規(guī)模出現(xiàn)。

2.2 土工合成加固技術(shù)在省內(nèi)高速公路拓寬改造中的應(yīng)用

近幾年來(lái)，土工合成加固技術(shù)在省內(nèi)高速公路拓寬改造施工中非常普遍，為了控制新老路基搭接位置的不均勻沉降問(wèn)題，防止路基縱向裂縫出現(xiàn)和發(fā)展，在省內(nèi)高速公路拓寬改造中常使用到土工合成材料作為加固母材。常用的土工合成材料有土工格柵和土工格室兩類。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)踐研究表明，借助土工合成材料進(jìn)行路基搭接位置加固，能夠顯著提升拓寬路基的剛度和承載能力，提高新舊路基的變形協(xié)調(diào)性；此外，土工合成材料自重輕，能夠降低拓寬改造后路基的整體自重，降低豎向及側(cè)向變形。

2.2.1常用的土工合成加固材料

常用的土工合成加固材料有土工格柵和土工格室兩種。土工格柵由高聚物制成，主體結(jié)構(gòu)為網(wǎng)狀，結(jié)構(gòu)具備自重輕、剛度大、抗拉強(qiáng)度高、耐久性良好等諸多優(yōu)勢(shì)，土工格柵嵌入到路基內(nèi)部，能顯著提升新舊路基搭接位置的摩擦系數(shù)值，提高路基土顆粒之間的相互嵌鎖能力；土工格室是在土工格柵基礎(chǔ)上發(fā)展演變而來(lái)，由于土工格室在使用前可以堆疊成任意形狀，便于運(yùn)輸，且土工格室可以根據(jù)加固面積隨意延長(zhǎng)，材料的連續(xù)性強(qiáng)。在具體使用過(guò)程中，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整材料加筋率和回填土土質(zhì)，最終形成承載能力和剛度各異的復(fù)合材料。圖1為土工格室施工現(xiàn)場(chǎng)情況。

2.2.2土工合成材料加固原理及處治效果分析

土工格室側(cè)向與路基土體之間的相互摩擦作用為路基土體提供了可靠的側(cè)向及豎向邊界約束，提升了路基搭接位置的豎向承載能力和變形剛度，提高了搭接位置的變形協(xié)調(diào)能力，削減了同等荷載條件下的沉降變形量。此外，土工格室與路基壓實(shí)成型后，借助內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)與土體產(chǎn)生橫向剪切作用，使得土體結(jié)構(gòu)的抗剪強(qiáng)度得到充分提升。土工格室與格室空間中的路基填筑料相互作用，使得土工格室內(nèi)的填筑材料承受三維應(yīng)力作用，最終形成具備高抗壓及抗剪強(qiáng)度的復(fù)合結(jié)構(gòu)體，能夠有效抵抗上部傳遞來(lái)的應(yīng)力及變形，強(qiáng)化了路基填料與土工格室之間的相互協(xié)調(diào)變形能力。

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)施工項(xiàng)目分析，本著以控制縱向和豎向裂縫為目的，采用土工格室進(jìn)行加固，其加固效果尤為顯著。鋪筑土工格室能夠顯著控制拓寬路基的側(cè)向位移值，且將土工格室安置在路基頂部及底部加固效果尤為明顯；且土工格室的鋪設(shè)位置距離路基頂部的距離與新老路基之間沉降差異降低程度之間呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)關(guān)系，若將土工格室鋪設(shè)在路基上層時(shí)，對(duì)二者沉降差異的影響較低。在新舊路基搭接位置加鋪土工格室能夠控制路基的側(cè)向及豎向位移值。在拓寬改造施工中，建議低填土路基可以在路基底層加鋪土工格室；對(duì)于高填方路基，可以在路基頂部和底部同時(shí)加鋪土工格室，并在搭接臺(tái)階位置也布設(shè)土工格室。

3 工程案例分析

3.1 工程概況

本工程項(xiàng)目地處某省西北部，地質(zhì)類型為典型的黃土丘陵地貌，平均海拔高度在600 m～800 m范圍內(nèi)，地表黃土覆蓋厚度約為25 m～40 m之間，由于長(zhǎng)期的雨水沖刷和風(fēng)化侵蝕，地表溝壑發(fā)育成熟，溝谷大部呈U字型。為了保證路基結(jié)構(gòu)的承載能力，在線路沿線范圍內(nèi)必須對(duì)路基進(jìn)行合理處置，以提升黃土路基的承載能力和變形剛度。原有標(biāo)段內(nèi)(K2000+200～K2005+200)，單幅路基寬度為15.5 m，路面車道單幅寬度為2×7.25 m，現(xiàn)對(duì)K2000+200～K2005+200標(biāo)段進(jìn)行雙側(cè)路基加寬。

3.2 施工工藝及流程

項(xiàng)目施工現(xiàn)場(chǎng)遵循如圖2所示的基本流程。

高速公路路基拓寬改造施工路基填筑材料質(zhì)量應(yīng)滿足JTG F10—2015公路路基施工技術(shù)規(guī)范；且土工格室必須滿足進(jìn)場(chǎng)抽檢合格率指標(biāo)。根據(jù)規(guī)范要求對(duì)新舊路基結(jié)合位置進(jìn)行臺(tái)階開(kāi)挖，確保臺(tái)階加寬值不低于規(guī)范推薦值；土工格室鋪設(shè)之前，應(yīng)采取專用卡槽固定，并沿線路行進(jìn)方向展開(kāi)；回填路基材料時(shí)，應(yīng)遵循由內(nèi)向外的順序?qū)⑵鋽D壓入格室內(nèi)，并配合機(jī)具壓實(shí)整平，直到壓實(shí)指標(biāo)滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)既有高速公路進(jìn)行拓寬改造升級(jí)，不但能夠緩解交通運(yùn)輸壓力，還能夠壓縮投資，縮短施工周期，與交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的循環(huán)、可持續(xù)發(fā)展不謀而合。文章將土工格室加固技術(shù)應(yīng)用在高速公路路基拓寬改造施工中，經(jīng)施工實(shí)踐檢驗(yàn)，該技術(shù)滿足拓寬改造路基沉降差異處治要求。