高速公路路基拓寬結(jié)合位置致害機(jī)理及處治技術(shù)

李 彥 革

(山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司陽泉分公司,山西 陽泉 045000)

1 概述

進(jìn)入21世紀(jì)以來，省內(nèi)高速公路建設(shè)迎來井噴期，由于當(dāng)時(shí)規(guī)劃設(shè)計(jì)能力、施工技術(shù)、交通量發(fā)展預(yù)測(cè)能力的不足，加之快速增長(zhǎng)的交通運(yùn)輸量和車輛荷載指標(biāo)的影響，導(dǎo)致原修建高速公路的通行能力已經(jīng)無法滿足省內(nèi)現(xiàn)有的交通運(yùn)輸需求。經(jīng)調(diào)研可知，當(dāng)前省內(nèi)高速公路不大于四車道占比達(dá)50%以上，其中，有一大部分路段為雙向兩車道形式；由于新開工高速項(xiàng)目前期投入大、施工周期長(zhǎng)、短期收益能力低，對(duì)既有高速公路進(jìn)行拓寬改造成為一種性價(jià)比更高的處理方案。由于高速公路拓寬改造路基結(jié)合位置的受力情況復(fù)雜，容易出現(xiàn)的病害類型較多，當(dāng)前適用的施工規(guī)范主要基于軟土路基拓寬施工工況，且拓寬改造過程中路基沉降檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)尚未建立具體的標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致路基拓寬改造施工過程中的主觀性較強(qiáng)。文章以省內(nèi)某高速公路改擴(kuò)建施工項(xiàng)目為研究案例，就路基拓寬改造過程中的主要病害致害機(jī)理進(jìn)行了分析，并提出了針對(duì)性的處治措施，在項(xiàng)目中得到較為成功的應(yīng)用。

2 公路路基拓寬結(jié)合位置致害機(jī)理分析

結(jié)合省內(nèi)高速公路拓寬改造施工項(xiàng)目實(shí)際，基于高速公路拓寬改造的施工難度要總體大于新建高速公路項(xiàng)目；高速公路病害的致害機(jī)理絕大多數(shù)是由于受力原因?qū)е拢瑥氖芰Ψ较蚣昂奢d類型角度可細(xì)分為以下幾方面。

2.1 水平力致害機(jī)理分析

尚不考慮地基土不均勻沉降的基礎(chǔ)上，拓寬改造路基結(jié)合位置在施工荷載的作用下，出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力呈窄幅變化，在尚未通車的情況下，認(rèn)為是在施工荷載、路基自重荷載的耦合作用下，拓寬路基位置出現(xiàn)不均勻沉降、壓縮形變，但原路基在長(zhǎng)期荷載作用下變形和沉降基本完成，由于變形和沉降不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致結(jié)合位置出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在結(jié)合位置的上表面。如果提前考慮地基土不均勻沉降因素，拓寬后路基的沉降變形則由自身壓實(shí)壓縮變形和地基沉降疊加組成，其沉降變形明顯增加，舊有路基的沉降變形主要是由于新填筑路基結(jié)合位置的應(yīng)力影響，具體表現(xiàn)為附加變形，變形值較低，在舊有路基坡腳位置將出現(xiàn)不規(guī)則分布的拉伸區(qū)域，表現(xiàn)為拉應(yīng)力。綜上，水平應(yīng)力主要分布在新舊路基結(jié)合位置的上表面和既有路基的坡腳位置，也是造成拓寬改造路基不均勻沉降的主要原因之一。

2.2 豎向力致害機(jī)理分析

在不考慮地基土沉降的基礎(chǔ)上，拓寬改造路基的加寬部分在自重荷載、施工荷載的耦合作用下，導(dǎo)致新填筑路基的豎向荷載作用明顯，豎向應(yīng)力集中分布在拓寬改造層的形心以下；如果考慮地基土沉降因素，受到明顯的路基土體沉降變形因素影響，豎向應(yīng)力呈現(xiàn)出從形心附近向外擴(kuò)張的趨勢(shì)，在應(yīng)力值上也呈現(xiàn)出逐步降低的趨勢(shì)。據(jù)此判斷，伴隨壓應(yīng)力的逐步增長(zhǎng)，豎向壓應(yīng)力呈現(xiàn)出先集中后向外擴(kuò)散的趨勢(shì)，直至豎向壓應(yīng)力和地基土體承載能力基本持平后，向外擴(kuò)散趨勢(shì)基本完成，達(dá)到受力平衡狀態(tài)。

2.3 截面剪切力致害機(jī)理分析

除了橫向和豎向的拉壓應(yīng)力作用外，在路基拓寬改造施工過程中，如果剪應(yīng)力值增加到一定程度，直至大于新舊路基結(jié)合位置的抗剪強(qiáng)度值時(shí)，將引起路基結(jié)合位置出現(xiàn)明顯的相互錯(cuò)臺(tái)病害，嚴(yán)重影響拓寬改造路基結(jié)構(gòu)的整體性、承載能力及荷載穩(wěn)定性。如果不考慮地基土沉降因素影響，新填筑路基土體的剪應(yīng)力值較低，基本可以忽略，如果考慮地基土沉降影響，由于新舊路基填筑位置對(duì)應(yīng)的路基土體沉降差異值較大，最終表現(xiàn)為路基結(jié)構(gòu)截面剪應(yīng)力值突增，剪應(yīng)力集中分布在截面中心附近。在拓寬改造施工過程中，由于剪應(yīng)力造成的路基病害程度低于拉壓應(yīng)力作用。綜上，在拓寬改造路基施工過程中，應(yīng)著重關(guān)注拉壓應(yīng)力引起的病害。

3 省內(nèi)某高速改擴(kuò)建項(xiàng)目路基拓寬結(jié)合位置病害處治技術(shù)

本工程項(xiàng)目為省內(nèi)西縱高速北段連接線路基拓寬改造施工項(xiàng)目，高速公路連接線原有布置形式為雙向四車道，路基寬度為25 m，部分路段為26.5 m，為了適應(yīng)交通量要求，擬對(duì)本標(biāo)段進(jìn)行拓寬改造施工，加快后路基為雙向六車道布置形式，路基寬度達(dá)到31.5 m，局部寬度達(dá)到33 m。現(xiàn)以本拓寬改造項(xiàng)目為案例，詳細(xì)論述了拓寬改造路基結(jié)合位置的主要病害處治技術(shù)。

3.1 提升路基結(jié)合位置的壓實(shí)度指標(biāo)

提高路基結(jié)構(gòu)的壓實(shí)度指標(biāo)，能夠強(qiáng)化路基土體顆粒之間的相互嵌鎖能力，提升路基混合料碎石之間的內(nèi)摩擦力，降低路基碎石之間的內(nèi)部空隙，提高單位體積內(nèi)路基混合料的密度值，以間接提高新舊路基結(jié)合位置的整體性和承載能力，由于路基壓實(shí)度指標(biāo)較高，路基結(jié)合位置在后期車輛作用后的瞬時(shí)和長(zhǎng)期累積變形值均較小。在本次拓寬改造施工中，以JTG D30公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范(2015)為標(biāo)準(zhǔn)，拓寬改造路基壓實(shí)度指標(biāo)以表1數(shù)據(jù)為選取依據(jù)。

表1 拓寬改造路基壓實(shí)度指標(biāo)

3.2 敷設(shè)土工格柵加固設(shè)施

土工格柵加固技術(shù)在路基拓寬改造施工過程中的應(yīng)用極其廣泛，土工格柵材料一般為聚丙烯、聚乙烯等高分子材料，通過熱加工技術(shù)將其編織為二維構(gòu)型或者三維構(gòu)型的網(wǎng)狀織布結(jié)構(gòu)。圖1為本工程項(xiàng)目中使用到的土工格柵材料。

新舊路基結(jié)合位置的主要病害表現(xiàn)為結(jié)合位置的變形不協(xié)調(diào)和不均勻沉降，由于舊路基在長(zhǎng)期的自重和上部荷載作用下，其變形已接近尾聲，新填筑路基變形較大，由于變形不協(xié)調(diào)，勢(shì)必在結(jié)合位置產(chǎn)生較大應(yīng)力。在開挖完成的臺(tái)階上敷設(shè)土工格柵，土工格柵憑借各向受力特性能夠分擔(dān)由于變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致的各項(xiàng)拉壓應(yīng)力，從而提升結(jié)合位置的整體性和變形協(xié)調(diào)性，最大程度約束局部不均勻沉降。

3.3 填筑臺(tái)階型路基結(jié)合斷面

為了提升新舊路基結(jié)合位置的相互銜接能力，提高二者協(xié)調(diào)變形的能力，新舊路基結(jié)合斷面應(yīng)開挖成一定斜率的臺(tái)階型，臺(tái)階結(jié)構(gòu)開挖的基本結(jié)構(gòu)形式主要有以下兩種，即：對(duì)原有路基結(jié)構(gòu)邊坡進(jìn)行均勻削坡，并在削坡基礎(chǔ)上繼續(xù)開挖錯(cuò)動(dòng)臺(tái)階，削坡施工量應(yīng)結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的地基土體承載能力確定；另一種先徹底清理原始路基邊坡上的浮塵，然后直接開挖臺(tái)階，路基結(jié)合位置臺(tái)階開挖可以細(xì)分為從上至下或者從下至上。結(jié)合本工程項(xiàng)目實(shí)際情況，路基土體的承載能力較高，擬選用自上而下的臺(tái)階開挖方式，且臺(tái)階削坡斜率比值為1∶1.5。具體開挖斷面詳如圖2所示。

結(jié)合本工程項(xiàng)目自身特點(diǎn)，單個(gè)臺(tái)階寬度值應(yīng)控制在1 000 mm～15 000 mm范圍內(nèi)，臺(tái)階高度取寬度的2/3為宜，且最大高度不宜大于1 600 mm。為了保證臺(tái)階相互咬合性能，臺(tái)階寬度應(yīng)盡可能大，以最大程度增加新舊路基結(jié)合面的實(shí)際面積，防止臺(tái)階接觸面過小，引起的局部應(yīng)力集中問題。此外，結(jié)合面臺(tái)階開挖應(yīng)緊密結(jié)合施工項(xiàng)目實(shí)際情況，臺(tái)階開挖高度應(yīng)以不影響臺(tái)階整體的穩(wěn)定性為基準(zhǔn)，同時(shí)也防止由于開挖高度過大引起的挖方量增加。

4 結(jié)語

對(duì)既有高速公路進(jìn)行拓寬改造成為一種性價(jià)比更高的處理方案，但由于高速公路拓寬改造路基結(jié)合位置的受力情況復(fù)雜，容易出現(xiàn)的病害類型較多，必須制定路基結(jié)合位置的病害處理方案，以實(shí)現(xiàn)新舊路基結(jié)合位置的協(xié)調(diào)工作。文章以省內(nèi)某高速公路路基拓寬改造項(xiàng)目為研究案例，針對(duì)結(jié)合位置病害提出了相應(yīng)的控制措施，經(jīng)項(xiàng)目實(shí)踐檢驗(yàn)，各措施的工程應(yīng)用性良好，能夠推廣使用。