高速公路改擴(kuò)建路基形變特征及控制方案研究

班鈺鎮(zhèn) 吳文信 李俊明

摘要：文章介紹了高速公路改擴(kuò)建施工中路基形變的具體分析方法，對改擴(kuò)建路基形變特征進(jìn)行了數(shù)值分析，搭建了數(shù)學(xué)分析模型，討論了車輛超載作用下路基的形變規(guī)律，并針對高速公路改擴(kuò)建施工中的路基形變問題，提出了具體的控制方案，如夯實基床表層、降低路基本體壓密沉降和加強(qiáng)改擴(kuò)建施工中的路基形變監(jiān)控等。

關(guān)鍵詞：高速公路;改擴(kuò)建;路基;形變

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷深入，城市間的交通流量在迅速增長，對交通基礎(chǔ)設(shè)施和工程質(zhì)量提出了新的要求。以我國的高速公路為例，為滿足每年持續(xù)增長的交通運力，需要對高速公路進(jìn)行拓寬、修繕等改擴(kuò)建施工，部分高速公路的改擴(kuò)建工程施工環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)條件惡劣，給高速公路的改擴(kuò)建施工帶來了一定的難度和挑戰(zhàn)。高速公路在改擴(kuò)建過程中會遇到各類工程難題，其中以路基形變最為常見，這是因為在高速公路的改擴(kuò)建施工中，常涉及到路基的拓寬施工環(huán)節(jié)，如果沒有采取及時的加固等措施，會使路基在改擴(kuò)建過程中發(fā)生形變，引發(fā)各類施工安全事故，對高速公路的行車安全也會帶來一定影響。本文對高速公路改擴(kuò)建施工中路基形變的特征進(jìn)行了深入研究，提出了有效減少高速公路改擴(kuò)建施工中路基形變的控制方案[1]。

1 改擴(kuò)建施工路基形變分析方法

通常情況下的路基形變屬于公路施工中較為常見的形式，隨著我國高速公路基礎(chǔ)建設(shè)的不斷完善，尤其是在一些高等級的高速公路中，路基形變的出現(xiàn)不可避免。當(dāng)前業(yè)內(nèi)對路基形變的研究已取得了階段性的研究成果，改擴(kuò)建施工中路基形變分析方法通常包括以下幾種：

1.1 定性分析法

定性分析法主要是對改擴(kuò)建施工區(qū)域內(nèi)的地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行綜合勘測，分析施工環(huán)境下路基具體的形變程度，研究引起路基形變的因素以及給工程施工帶來的影響，進(jìn)而確定路基當(dāng)前的穩(wěn)定性狀態(tài)以及未來發(fā)展趨勢。

1.2 非定性分析法

主要包括路基穩(wěn)定性分析、隨機(jī)過程分析、模糊數(shù)學(xué)法以及灰色聚類法等。路基穩(wěn)定性分析包括概率統(tǒng)計學(xué)的一些理論，通過可靠度來代替安全系數(shù)，進(jìn)而反映路基的安全狀態(tài)，相比于傳統(tǒng)的安全系數(shù)法具備一定的優(yōu)勢，使得對路基穩(wěn)定性的分析更為客觀。但其明顯缺點主要是大量繁瑣的統(tǒng)計工作、復(fù)雜的概率模型搭建，與常規(guī)的極限平衡法相比略顯不足。隨機(jī)過程法為一種純數(shù)學(xué)的研究模型和方法，模糊數(shù)學(xué)法主要通過模糊理論，確定影響路基穩(wěn)定的各個要素，通過確定各影響要素間的權(quán)重，進(jìn)而建立相應(yīng)的隸屬函數(shù)進(jìn)行綜合權(quán)衡，灰色聚類法是以灰色聚類理論進(jìn)行的路基穩(wěn)定性評估方法[2]。

2 改擴(kuò)建路基形變特征數(shù)值分析

2.1 搭建數(shù)學(xué)分析模型

該數(shù)學(xué)分析模型計算范圍為：X軸方向124 m，Y軸方向0.2 m，Z軸方向93 m，路面厚度58 cm，局部模型如圖1所示。

由于路基土參數(shù)的取值對于模型分析的結(jié)果具有一定的影響，且工程勘測數(shù)據(jù)中的路基性能指標(biāo)確定了本部分?jǐn)?shù)值模擬中的材料參數(shù)取值。數(shù)學(xué)分析模型材料參數(shù)取值如表1所示。

2.2 施工期路基形變特性分析

位于路基擴(kuò)建位置的中上部常出現(xiàn)路基斷面的較大鉛直位移，表明鉛直位移的位置與覆蓋層厚度以及新路基高度具有較大的關(guān)系，鉛直位移等值圖如圖2所示。

由圖2可知，老路基在新路基的作用下將發(fā)生新的沉降形變。擴(kuò)建路基通常使用分層填筑的方法，而擴(kuò)建部分的路基最大鉛直位移沒有在路基頂部位置出現(xiàn)，說明已經(jīng)在后續(xù)的土體表面進(jìn)行累加，而對于高速公路的路基改擴(kuò)建工程而言，路基在非固結(jié)狀態(tài)下的沉降程度一般不大[3-5]。路基改擴(kuò)建后的頂部沉降位移分布情況如圖3所示。

沉降形變分布情況是位于新老路基結(jié)合處的鉛直位移最大，在新老路基結(jié)合處，老路基沉降值最大，最大沉降為9.51 cm，且路基橫向距結(jié)合處較遠(yuǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，新路基的改擴(kuò)建工程會使老路基發(fā)生不明顯的沉降，當(dāng)新路基逐層進(jìn)行填筑時，使后續(xù)填筑的部分對于較早填筑的部分有一定的補償功能。通過大量的工程試驗可知，新路基頂部的沉降情況由最后填筑的部分決定，因此，當(dāng)新路基填筑后，老路基沉降量相對較大[6]。

2.3 車輛超載作用下路基形變規(guī)律分析

圖4為改擴(kuò)建施工中路基頂部在經(jīng)過一次車輛的超載后形變情況。當(dāng)不考慮路基的前期填筑坡度時，路基頂部的沉降值接近20mm，為緩解路基中部因長期車輛的超載而引發(fā)的可能沉降量，應(yīng)設(shè)置一定的橫坡以便于路面排水，也可采取預(yù)先設(shè)置一定坡度的方式，兼顧路基橫斷面部分的施工。

路基頂部在經(jīng)歷一次超載作用后的形變值分布如圖5所示，圖5表明，設(shè)置在路基中部位置的坡度，使改擴(kuò)建施工中的路基沉降量明顯縮小，但通過實測可發(fā)現(xiàn)，新路基拓寬部分的沉降值相比于老路基而言仍然較大[7]。

當(dāng)載荷為0.7 MPa時，新路基周邊的塑性形變值為8.46 mm，隨著載荷增加到1 MPa時，新路基周邊的塑性形變值為31.7 mm，可見車輛載荷對于路基塑性形變的影響很大。如果路基的強(qiáng)度不對稱或不足時，則會發(fā)生因載荷過重而使路面破損的情況。因此，在高速公路改擴(kuò)建后的運營及管理方面，應(yīng)對車輛超載現(xiàn)象予以重視[8]。單次車輛載荷情況下塑性形變對比如表2所示。

3 改擴(kuò)建路基形變控制方案研究

3.1 夯實基床表層

由于高速公路的車流量較大，在車輛行駛過程中路面上的動應(yīng)力較大，為使高速公路的路基在正常通車時的形變量盡可能小，必須保證高速公路的路基具有較大的強(qiáng)度和剛度。為此，應(yīng)提高高速公路的路基強(qiáng)度，使路基更加穩(wěn)固。路基上部允許的動應(yīng)力不得超出路基下部所允許的動強(qiáng)度，在改擴(kuò)建施工中應(yīng)防止雨水滲入路基使基土軟化，并防止翻漿、冒泥等情況發(fā)生[9]。

3.2 降低路基本體壓密沉降

高速公路的路基本體密實度直接關(guān)系到擴(kuò)建后路基的形變程度，在高速公路路基改擴(kuò)建過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制路基本體的密實度和沉降范圍，填筑材料應(yīng)滿足路基本體壓密和沉降的特殊要求，在路基底層應(yīng)使用A、B類填料或改良土，路基的壓實密度越大，則改擴(kuò)建施工后的沉降量越小。施工經(jīng)驗表明，高速公路的路基壓實系數(shù)從0.85提高到0.90時，最終壓縮量可降低約70%左右，因此，應(yīng)嚴(yán)格控制高速公路路基本體的壓密沉降[10]。

3.3 加強(qiáng)改擴(kuò)建施工中的路基形變監(jiān)控

高速公路的路基形變是一個緩慢而漸變的過程，一般不易被發(fā)覺。為嚴(yán)格控制高速公路改擴(kuò)建過程中的路基形變量，應(yīng)在路基改擴(kuò)建的施工中對路基形變量進(jìn)行監(jiān)控，記錄各施工時段路基的形變數(shù)值，獲取真實、可靠的工程施工數(shù)據(jù)，為后續(xù)路基改擴(kuò)建施工方案的修訂以及路基形變量的分析提供實施依據(jù)，在最大程度上控制高速公路改擴(kuò)建過程所引起的路基形變。

4 結(jié)語

本文以高速公路改擴(kuò)建過程中的路基形變問題為主要研究內(nèi)容，對高速公路改擴(kuò)建過程中的路基形變特征進(jìn)行了討論，介紹了改擴(kuò)建施工路基形變的分析方法，對高速公路改擴(kuò)建路基形變特征進(jìn)行了數(shù)值模擬，并提出了高速公路改擴(kuò)建過程中控制路基形變的具體方案。

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