土工加筋處理技術(shù)在高速路基拓寬改造中的應(yīng)用

高 紫 君

(山西遠(yuǎn)方路橋(集團(tuán))有限責(zé)任公司，山西 大同 037006)

1 概述

21世紀(jì)初期至今，省內(nèi)高速公路建設(shè)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，省內(nèi)高速公路通行骨架基本建成，局部高速路網(wǎng)加密正不斷完善；在經(jīng)濟(jì)發(fā)展新常態(tài)背景下，高速公路對(duì)省內(nèi)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)發(fā)展具有重要意義和作用。既有線(xiàn)路已經(jīng)服役多年，在長(zhǎng)期車(chē)輛荷載和自重等因素的耦合作用下，既有線(xiàn)路的沉降固結(jié)作用已接近尾聲，且原有路基結(jié)構(gòu)的雙側(cè)坡腳與原地基已固結(jié)完全；對(duì)既有線(xiàn)路進(jìn)行拓寬改造后，新填筑路基的沉降由附加自重和上部車(chē)輛荷載作用引起，在路基擠壓和固結(jié)作用下，會(huì)出現(xiàn)明顯的豎向及側(cè)向沉降，由于新舊路基銜接位置的沉降值差異明顯，二者變形無(wú)法協(xié)調(diào)，在銜接位置將出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力集中問(wèn)題，一旦銜接位置的集中應(yīng)力大于路基土體的抗拉強(qiáng)度值，將引起開(kāi)裂、脫空等病害，最終影響路基整體結(jié)構(gòu)的承載能力及變形剛度，嚴(yán)重影響行車(chē)平順性。綜上，為了解決拓寬改造路基的開(kāi)裂病害，提升路基結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性，應(yīng)對(duì)銜接位置進(jìn)行必要的加固處治，借助土工加筋處理技術(shù)能夠最大程度控制新舊路基結(jié)合位置的不均勻沉降水平，能夠有效緩解結(jié)合位置的集中應(yīng)力現(xiàn)象。

2 高速路基拓寬改造中路基不均勻沉降分析

拓寬改造后路基開(kāi)裂病害主要表現(xiàn)為橫向及豎向開(kāi)裂兩種形式，實(shí)地調(diào)查省內(nèi)眾多改擴(kuò)建項(xiàng)目可知，絕大多數(shù)以縱向開(kāi)裂為主，且裂縫發(fā)展傾向于舊路基位置。以省內(nèi)某高速公路拓寬改造項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目地處平原地區(qū)，考慮到本工程項(xiàng)目地質(zhì)結(jié)構(gòu)良好，土基承載能力滿(mǎn)足要求，新舊路基荷載作用下的不均勻沉降主要表現(xiàn)在新舊路基的壓縮變形和新舊路基結(jié)合位置的抗拉強(qiáng)度不足兩方面。

高速公路路基拓寬改造施工時(shí)，若拓寬路基填方高度數(shù)值較大且壓實(shí)度指標(biāo)較低時(shí)，在拓寬路基自重荷載作用下，路基材料的壓縮形變基本完畢；新填筑路基的壓縮變形自由量較大，綜上，施工位置工程地質(zhì)較好的前提下，新填筑路基的壓縮變形占上風(fēng)。拓寬路基壓縮變形原理如圖1所示。

除了新填筑路基材料的壓縮變形值較大之前，新舊路基銜接位置的抗拉強(qiáng)度值不滿(mǎn)足要求也是引起二者不均勻沉降的主要因素之一。銜接位置抗拉強(qiáng)度值較低容易導(dǎo)致結(jié)合位置出現(xiàn)不同程度的錯(cuò)臺(tái)和滑動(dòng)，由于銜接位置的應(yīng)力集中現(xiàn)象顯著，錯(cuò)臺(tái)和滑動(dòng)病害將繼續(xù)發(fā)展成為結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和承載失效。圖2為新舊路基銜接位置抗拉強(qiáng)度不滿(mǎn)足要求引起的路基病害圖。

3 土工加筋理論及作用機(jī)理分析

在高速公路路基拓寬改造施工過(guò)程中，新舊路基銜接位置引起的不均勻沉降將嚴(yán)重影響加寬后路基結(jié)構(gòu)的承載能力、變形剛度及穩(wěn)定性；在省內(nèi)控制施工過(guò)程中，常用的處治措施有：臺(tái)階法、加筋處理法、復(fù)合地基處理法等，本文以省內(nèi)某高速公路拓寬改造項(xiàng)目為例，著重分析了加筋土在拓寬改造路基處治過(guò)程中的應(yīng)用。

3.1 土工加筋基本理論

土工加筋材料主要指的是由人工聚合物制成的各種高強(qiáng)度、高彈性模量產(chǎn)品，在巖土工程及各種基礎(chǔ)處治中應(yīng)用廣泛，常用的土工合成材料可細(xì)分為土工類(lèi)編織物、土工覆蓋膜、土工合成材料及復(fù)合土工材料四類(lèi)；在路基加固處治施工過(guò)程中，常用的土工合成材料有土工格柵和土工格室兩種。土工格柵與土工格室分別如圖3，圖4所示。

3.2 土工加筋作用機(jī)理分析

在省內(nèi)高速公路拓寬改造施工過(guò)程中，常用的處治加固技術(shù)有兩種，即：土工格柵加筋處治技術(shù)和土工格室加筋處治技術(shù)。土工格室材料是基于土工格柵發(fā)展演變而來(lái)，其中，土工格柵使用最為普遍，為了能夠控制新舊路基結(jié)合位置的不均勻沉降病害，可使用滿(mǎn)足拉壓受力特性的鋼制格柵，以提高土工格柵的工程特性。土工格柵的加固機(jī)理可以簡(jiǎn)述為摩阻加筋原理，土工加筋加固結(jié)構(gòu)在填筑路基土體自重和上部荷載的耦合作用下，土工格柵能夠承擔(dān)來(lái)自土體的拉壓應(yīng)力，若土工格柵的正交方向存在從路基中滑移的相對(duì)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，路基填筑料的法向摩阻力增加，可認(rèn)為是土工格柵和加固路基土體之間存在眾多嵌鎖剪力鍵，且剪力鍵抗剪強(qiáng)度與法向相對(duì)滑移趨勢(shì)呈正相關(guān)關(guān)系。摩阻加筋處治原理邏輯合理，在變形剛度值較大的加筋土體中得到普遍使用。土工格室加固材料與土工格柵相比最明顯的特點(diǎn)為，土工格室屬于典型的三維結(jié)構(gòu)，土工格室能夠和路基填筑料相互擠壓、作用。土工格室結(jié)構(gòu)具備較高的抗彎和抗壓性能，能夠改變拓寬路基結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布情況；此外，借助土工格室的側(cè)向約束作用，能夠限定路基土體結(jié)構(gòu)的橫向及豎向位移變化值，最大程度降低路基土體結(jié)構(gòu)的變形值，改善拓寬后路基結(jié)構(gòu)的不均勻沉降量。

4 工程項(xiàng)目案例

選取省內(nèi)東南部高速干線(xiàn)網(wǎng)某支線(xiàn)拓寬改造升級(jí)工程項(xiàng)目為研究案例，對(duì)應(yīng)的改擴(kuò)建施工標(biāo)段為K40+100～K350+225。圖5為拓寬改造施工現(xiàn)場(chǎng)情況。

為了能夠最大程度適應(yīng)新舊路基銜接位置的不均勻沉降大范圍變化要求，擬在本工程項(xiàng)目新舊路基結(jié)合位置選用柔性土工格室進(jìn)行加固處治。土工格室的相鄰焊接點(diǎn)位距離應(yīng)不低于400 mm，且土工格室實(shí)際高度值宜取值為100 mm，土工格柵單塊板厚度值取1.5 mm；為了能夠滿(mǎn)足新舊路基結(jié)合位置的應(yīng)力重分布要求，土工格室材料的抗拉壓強(qiáng)度值應(yīng)不低于25 MPa，且抗拉壓彈性模量值應(yīng)不低于600 MPa，低溫環(huán)境下的脆性標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿(mǎn)足-50 ℃標(biāo)準(zhǔn)。圖6為土工格室施工現(xiàn)場(chǎng)情況。

施工流程應(yīng)嚴(yán)格遵循《高速公路標(biāo)準(zhǔn)化施工技術(shù)(路基工程部分)》相關(guān)要求，應(yīng)在新舊路基銜接位置開(kāi)挖臺(tái)階，并在每一臺(tái)階臺(tái)面均勻分布土工格室，為了保證土工格室與路基土體之間的可靠連接特性，回填路基土應(yīng)充分整平夯實(shí)，并在臺(tái)階端部位置加設(shè)固定插銷(xiāo)，借助固定插銷(xiāo)的抗剪強(qiáng)度提高二者之間的連接性能，防止在上部荷載與自重的耦合作用下導(dǎo)致土工格室與路基回填土連接失效。土工格室在敷設(shè)過(guò)程中原則上不允許施加預(yù)應(yīng)力，以防止土工格室出現(xiàn)大變形而喪失固結(jié)作用；鋪裝土工格室應(yīng)采用灌砂法測(cè)定拓寬改造位置的壓實(shí)度指標(biāo)，開(kāi)挖成孔過(guò)程中應(yīng)避開(kāi)土工格室端部材料，盡量在中間位置成孔。

經(jīng)施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，敷設(shè)土工格室后的各個(gè)斷面中，最大沉降值出現(xiàn)在拓寬路堤的路肩位置，這一現(xiàn)象說(shuō)明，土工格室的應(yīng)力擴(kuò)散效率較高，能夠使新填筑路堤成為一個(gè)整體，以降低新舊路基結(jié)合位置的不均勻沉降值。

5 結(jié)語(yǔ)

興建項(xiàng)目前期投入大、環(huán)境影響顯著，不利于區(qū)域可持續(xù)發(fā)展；為了能夠在短期內(nèi)快速擴(kuò)充運(yùn)力，并最大程度壓縮投資，既有線(xiàn)路改擴(kuò)建施工成為當(dāng)前工程界普遍使用的一種方式。文章以省內(nèi)某高速公路拓寬改造項(xiàng)目為研究案例，對(duì)土工加筋處理技術(shù)的不均勻沉降控制機(jī)理進(jìn)行分析，著重對(duì)土工格室在拓寬路基改造施工中的具體應(yīng)用進(jìn)行分析，以提升省內(nèi)既有高速公路的拓寬改造施工質(zhì)量。