公路路基加寬工程關(guān)鍵技術(shù)研究

朱方亮

(中煤科工集團武漢設(shè)計研究院有限公司，湖北 武漢 430064)

0 引 言

近年來，公路工程作為推動當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展和加強區(qū)域聯(lián)系的重要項目，其建設(shè)步伐日益加快，質(zhì)量控制也更加嚴格。但是，隨著經(jīng)濟水平的發(fā)展、交通量的不斷提高、原公路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)低等原因，很多公路的通行能力難以滿足實際運營需要，容易引起車輛擁堵和人員傷亡事故等。為了提高公路的通行能力，加寬路基對老路進行升級改造是首選的建設(shè)方式(建設(shè)周期短、占地面積少、耗費資金少等)，因此，為了提高公路工程建設(shè)水平，研究加寬路基的關(guān)鍵技術(shù)有著十分重要的工程價值。

目前國內(nèi)外學(xué)者和工程技術(shù)人員也針對公路路基加寬的機理、變形規(guī)律和質(zhì)量控制措施等方面展開了一些研究，如李玉等以京石高速為工程實例，從開挖臺階、液壓夯實、鋪設(shè)混凝土等方面探討了公路工程新舊路基拼接施工的關(guān)鍵點，并在工程實例中得到了良好的應(yīng)用效果。李丙銀等依托某山區(qū)高速公路，選擇ANSYS15.0對不同填方中心高度、加寬寬度、彈性模量工況下，探討了加寬路基的不均勻變形規(guī)律和控制標(biāo)準(zhǔn)，并在此基礎(chǔ)上，對比分析了錨桿和雙向土工格柵兩種加固措施對加寬路基變形的改善效果，結(jié)果表明雙向土工格柵具有良好的加筋效果。本文則借助PLAXIS8.0結(jié)合實際項目對路基加寬結(jié)合位置的變形規(guī)律進行研究，分析了不同路基拓寬寬度下新老路基不均勻沉降變形規(guī)律，并提出了多種路加寬路基工程質(zhì)量控制措施，以期為類似的公路路基加寬工程提供一定的理論指導(dǎo)。

1 公路新舊路基結(jié)合處病害及破壞機理

1.1 加寬路基的常見病害形式

公路路基加寬后在填料自重以及其他因素的影響下，路基就會使其在水平和豎直方向上產(chǎn)生一定程度的變形，而路堤各個部位的變形也會有所差異，這就造成了路基存在差異性沉降。新舊路基間的不協(xié)調(diào)變形對公路產(chǎn)生的影響往往體現(xiàn)在反射裂縫、路面病害等方面。其中，瀝青路面可能存在反射裂縫、路面沉陷隆起、車轍等現(xiàn)象；對水泥路面就會導(dǎo)致板底脫空、接縫損壞等病害，如圖1所示。

圖1 公路加寬路基常見病害

1.2 路基結(jié)合處變形機理

在進行公路路基拓寬時，新路基一般作為邊載施加在老路基的邊坡位置，而邊載對舊路基沉降變形的影響主要體現(xiàn)于兩個方面：第一，新填路基填料的重量相當(dāng)于加在老路基上的靜荷載；第二，邊載的存在，使得地基土表面的附加應(yīng)力在公路橫斷面方向上的分布不均，從而導(dǎo)致新舊路基的應(yīng)力大小不等，固結(jié)度也存在差異。此外，在軟土區(qū)域進行路基拓寬時，路基頂面沉降并不是因為其自身的壓縮變形，而是來自地基沉降。而在地質(zhì)較好路段，由于地基沉降變形較小，對新路基坡腳有一定的約束作用，所以公路拓寬路基的沉降主要來自路基自身的壓縮變形。

2 公路加寬路基差異性沉降規(guī)律探討

2.1 工程概況及計算模型建立

本文以某一級公路為研究對象對路基加寬的不均勻沉降規(guī)律進行研究，該公路路線長22.4 km，設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是雙向四車道，路基寬度是26 m。該公路工程沿線存在軟土、可溶性巖石等特殊地質(zhì)，其中軟弱土深度較大，以淤泥、淤泥質(zhì)土和黏性土(軟塑狀態(tài))為主。該公路沿線邊坡的最大填土高度為9 m，坡度為1∶1.5，地基計算寬度取200 m，計算深度取30 m。地基由上下兩層不同性質(zhì)的巖土體組成，上部是6 m厚的軟粘土，下層是24 m厚的基巖，各土層的物理力學(xué)計算參數(shù)為：路基填料密度1 458 kg/m3、泊松比0.35、粘聚力5 KPa、內(nèi)摩擦角35°；軟黏土密度1 924 kg/m3、泊松比0.28、粘聚力26 KPa、內(nèi)摩擦角28°；基巖的密度2 350 kg/m3、泊松比0.3、粘聚力48 KPa、內(nèi)摩擦角60°。

公路路基加寬的不均勻沉降屬于平面應(yīng)變范疇，筆者采用PLAXIS8.0的brick單元來建立了二維平面模型，并選擇三角形進行網(wǎng)格自動劃分(共劃分5 231個節(jié)點和3 874個網(wǎng)格)，計算時采用M-P屈服準(zhǔn)則。模型的邊界條件如下：地基底部對x、y、z三個方向位完全約束，對路基邊坡外側(cè)水平約束，路基頂面不施加任何約束條件。

2.2 不同加寬寬度下新舊路基結(jié)合處變形規(guī)律

在公路填方邊坡高(9 m)不變的情況下，加寬寬度分別選擇1 m、2 m、3 m、4 m，各拓寬寬度下加寬路基不協(xié)調(diào)變形模擬結(jié)果如圖2所示。

圖2 各拓寬寬度下新舊路基差異沉降量變化

由計算數(shù)據(jù)可知，當(dāng)監(jiān)測點距離老路基邊線小于1 m，各加寬寬度下新老路基之間地不協(xié)調(diào)變形基本保持相同。當(dāng)監(jiān)測點距離舊路基邊線大于1 m時，各加寬寬度下新舊路基之間的差異性沉降均與道路路基加寬寬度呈正相關(guān)關(guān)系。這種現(xiàn)象表明：隨著公路路基加寬寬度的提高，舊路基在邊載作用下所引起的附加應(yīng)力也持續(xù)提高，使得老路基的沉降變形也不斷增大。但是當(dāng)公路路基的拓寬寬度提高到某一臨界值時，再提高路基的拓寬寬度對老路基所產(chǎn)生的附加應(yīng)力影響不大，即對舊路基的沉降變形的影響程度較小。

3 公路加寬路基工程質(zhì)量控制措施

3.1 加寬路基常用處治措施

在公路路基加寬項目建設(shè)期間，如何改善新老路基拼接位置地強度、剛度、穩(wěn)定性是最重要技術(shù)之一。目前國內(nèi)外公路改擴建工程中，應(yīng)用較廣泛的加寬路基處治方法主要是土工格柵、支護結(jié)構(gòu)、夯實等措施。將公路加寬路基的主要處治措施分為外部處治、內(nèi)部處治和綜合處治三類，具體如表1所示。

表1 公路加寬路基具體處治措施分類

3.2 加寬路基壓實質(zhì)量控制

路基壓實是改善公路路基改擴建施工質(zhì)量的核心工序之一，加寬路基壓實質(zhì)量控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)往往體現(xiàn)在填料運輸、碾壓、檢測等方面來開展。在裝料前，應(yīng)當(dāng)計算每層填土所需的壓實方量，同時，填料裝運時應(yīng)盡量使填料能夠混合均勻，盡可能地避免大粒徑填料集中裝運的現(xiàn)象。

在公路路基修筑時，應(yīng)當(dāng)通過修筑試驗段來確定碾壓設(shè)備及其組合、碾壓遍數(shù)、攤鋪厚度、松鋪系數(shù)等參數(shù)。壓實機械可采用振動壓路機和三輪壓路機等，碾壓時應(yīng)當(dāng)由兩邊向中間碾壓，并遵循“先邊緣后中間，先慢后快”的原則，壓實路線縱向互相平行，反復(fù)碾壓。碾壓后應(yīng)確保路基形成2%～3%的路拱橫坡，利于排水。如果加寬路基部分采用的填料滲透性較小的粘性土，應(yīng)當(dāng)在路基底部鋪設(shè)一層透水性較好的砂礫墊層，避免出現(xiàn)水囊和“彈簧土”。檢測是保證路基壓實質(zhì)量的最后手段，施工中應(yīng)善于運用檢測手段，確保路基施工質(zhì)量。

4 結(jié) 語

利用軟件PLAXIS8.0研究了不同工況下公路加寬路基的不協(xié)調(diào)變形機理及規(guī)律，并分析了加寬路基地質(zhì)量控制關(guān)鍵，主要得出四個方面的結(jié)論：(1)公路路基加寬時，新路基相當(dāng)于施加在老路基的邊載，邊載不僅會成為施加在舊路基地靜荷載，還會在地基土表面產(chǎn)生不均勻附加應(yīng)力；(2)隨著公路路基加寬寬度的增加，新路基頂面的豎向位移不斷增大，新舊路基之間的差異性沉降值持續(xù)增大。但是，當(dāng)公路路基拓寬寬度增大到某一臨界值時，路基加寬寬度增加對舊路基所產(chǎn)生地附加應(yīng)力影響程度不大；(3)公路路基加寬中應(yīng)用較為廣泛的處置措施主要有土工格柵、支護結(jié)構(gòu)、夯實等措施，可將其分為外部處治、內(nèi)部處治和綜合處治三類；(4)路基壓實質(zhì)量是控制公路建設(shè)水平的關(guān)鍵技術(shù)之一，一般體現(xiàn)在運輸、碾壓、質(zhì)量檢測等環(huán)節(jié)。