高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目中錨固加筋技術(shù)的應(yīng)用探討

李威

（廣西交通設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

以往我國在高速公路建設(shè)中主要設(shè)計(jì)為雙向4車道或者6車道，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的過程中，交通流量也迅速增加，很多高速公路已不能滿足新時(shí)期交通運(yùn)輸需求，急需加寬改造。而在高速公路加寬改造項(xiàng)目中，新路基面臨較大沉降變形問題，此時(shí)老路基已基本完成沉降，在改造工程投用后，隨著時(shí)間的推移新路基和老路基沉降的差異會(huì)不斷加大。為改善此狀況，提出在高速公路改擴(kuò)建的路基加寬施工中應(yīng)用錨固加筋技術(shù)，即先在老路基邊坡上固定錨桿，使錨桿的固定鋼筋和土工格柵相互連接，讓土工格柵、老路基兩者形成相對(duì)穩(wěn)定的整體，盡量減少土工格柵滑動(dòng)位移，增強(qiáng)加筋效果，并對(duì)路基不均勻沉降加以控制。

1 錨桿錨固和土工格柵拼接機(jī)理

1.1 錨桿錨固機(jī)理

錨桿錨固系統(tǒng)主要包含3種介質(zhì)，分別是被錨固巖土體、膠結(jié)材料或者灌漿體、錨桿桿體。錨桿桿體和膠結(jié)材料的兩者界面以及巖土體和膠結(jié)材料的兩者界面屬于不同介質(zhì)過渡區(qū)域，相應(yīng)區(qū)域會(huì)較大程度地對(duì)錨固系統(tǒng)的承載力產(chǎn)生影響。通過分析錨固技術(shù)特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)錨固系統(tǒng)承載力的因素主要包括灌漿體強(qiáng)度、巖土體強(qiáng)度、錨孔、錨桿直徑、錨固類型及錨固段長度等。在灌漿體和錨桿兩者黏結(jié)沒有受到破壞前，主要由結(jié)合力發(fā)揮作用，如果灌漿體和錨桿兩者出現(xiàn)相對(duì)位移，那么連接界面就會(huì)受到破壞，此時(shí)主要由灌漿體和錨桿兩者間的摩擦力發(fā)揮作用，所以機(jī)械作用是影響表面帶螺紋錨桿結(jié)合力的關(guān)鍵因素，而且相比于表面光滑的錨桿，此類錨桿具有更高的抗剪承載力。

1.2 土工格柵拼接應(yīng)用的作用機(jī)理

在新老路基結(jié)合部位拼接應(yīng)用土工格柵，其作用機(jī)理主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：①可使路基結(jié)合部位的水平應(yīng)力更低，并能增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度，使新老路基相互之間的約束力變大，保證在路基加寬之后的結(jié)構(gòu)整體具有更高穩(wěn)定性。新老路基結(jié)合部位的土體會(huì)產(chǎn)生水平應(yīng)力，主要由土工格柵予以承受，有效改善結(jié)合部位的應(yīng)力分布情況，使結(jié)合部位的土體具有更高抗剪強(qiáng)度，延緩或避免出現(xiàn)路基裂縫以及滑動(dòng)破壞情況。②新老路基結(jié)合部位的差異沉降會(huì)更加均勻。受到土工格柵的加筋作用影響，新老路基具有更高整體性，共同承受荷載土體范圍更大，全面抵抗變形，使新老路基頂面所產(chǎn)生的橫向沉降差異減小。③新路基填料和土工格柵會(huì)產(chǎn)生一定相互作用，對(duì)新路基側(cè)向變形予以約束，降低新填路基順著基底發(fā)生滑動(dòng)破壞的概率，使新加寬路基具有更高穩(wěn)定性。

結(jié)合上述機(jī)理表現(xiàn)，可發(fā)現(xiàn)在土體和土工格柵兩者相互作用力發(fā)揮下，能優(yōu)化結(jié)構(gòu)整體抗拉性能，使新老路基變形問題得到改善。但在實(shí)際施工中，土工格柵往往不能充分發(fā)揮抗拉性能。為充分發(fā)揮土工格柵的優(yōu)勢(shì)，使新老路基變形問題得到改善，有必要為其提供強(qiáng)大的錨固力，使其抗拉性能充分發(fā)揮出來。高速公路在改擴(kuò)建項(xiàng)目中加寬路基，可在開挖臺(tái)階尺寸不符合格柵錨固長度的時(shí)候，聯(lián)合運(yùn)用錨固加筋組合結(jié)構(gòu)，提升加筋效果，合理控制新老路基的沉降差異，并有效控制不協(xié)調(diào)變形，使新老路基具有更好的整體性、穩(wěn)定性。

2 工程概述

廣西濱海公路是連接北部灣沿海城市的一條高等級(jí)公路，項(xiàng)目路線全長為5.03 km，其中大風(fēng)江大橋橋長為1 386.00 m，引道長為3 644.00 m。主橋采用（85＋2×160＋85）m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，橋長為490 m；引橋均采用預(yù)應(yīng)力混凝土（后張）先簡支后連續(xù)T梁橋，欽州側(cè)引橋橋跨布置為9×40 m，北海側(cè)引橋橋跨布置為13×40 m，引橋全長為896.00 m。橋梁寬度為33 m，雙向6車道，橋梁設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級(jí)，設(shè)計(jì)時(shí)速100km；引道為整體式路基，路基標(biāo)準(zhǔn)寬度為33.50 m，雙向6車道，設(shè)計(jì)時(shí)速100 km。經(jīng)勘查，該項(xiàng)目場地軟土分布較廣，厚度變化較大，主要分布著水田、蝦塘、河床、潮間帶及溝谷等低洼地段，以飽和淤泥、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土為主，多呈流～軟塑狀，具有承載力低、壓縮性高、靈敏度高、易觸變、易變形沉降等特點(diǎn)，工程性質(zhì)差若不采取有效的處理措施，將對(duì)公路工程地基穩(wěn)定和沉降產(chǎn)生不利影響。該項(xiàng)目擴(kuò)建施工中特采取錨固加筋技術(shù)，對(duì)高填方加寬路基的不均勻沉降加以控制，以提升施工質(zhì)量。

3 錨固加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在該高速公路擴(kuò)建期間，通過應(yīng)用土工合成材料減少新老路基存在的不協(xié)調(diào)變形問題，必須設(shè)置一個(gè)堅(jiān)實(shí)的錨固力，以增強(qiáng)其抗拉性能。在高填方路基加寬設(shè)計(jì)中，若臺(tái)階開挖規(guī)格達(dá)不到格柵錨固長度要求，通過設(shè)計(jì)加筋錨固組合式結(jié)構(gòu)，以提升加筋效果，縮小新路基和老路基之間的沉降差，并對(duì)不協(xié)調(diào)變形情況加強(qiáng)控制，使加寬路基具有更高的穩(wěn)定性[1]。

在該擴(kuò)建工程高填方路基加寬施工中設(shè)計(jì)錨固加筋組合式結(jié)構(gòu)，關(guān)鍵是要合理確定錨桿拉力設(shè)計(jì)值。在路基加寬中沿筋材長向拉應(yīng)力分布中，其中筋材（第i層）向新路基產(chǎn)生了Ti的拉力，有Puoi受到臺(tái)階拉拔力影響而消散，錨桿承擔(dān)剩余的Treari，算式為

式（1）中，Treari指筋材最大拉力值，若保持極限平衡狀態(tài)，取Tltds；Pupi指筋材（第i層）抗拉力；σni'指在筋材（第i層） 上發(fā)揮作用的豎向壓應(yīng)力，且σni'=γhi+ws，ws指車輛及路面的附加荷載；b指筋材寬度，本工程設(shè)計(jì)為土工格柵加筋土的結(jié)構(gòu)，所以b取1 m；Lei指土筋材（第i層）錨固長度，和臺(tái)階寬度相等[2]。

按照公式（2）所示，計(jì)算在錨桿上發(fā)揮作用的拉力，即

式（2）中，Pani指在錨桿（第i層）中發(fā)揮作用的拉力，Shi指在水平方向上相鄰的錨桿間距，w指錨桿和水平方向之間的夾角。

根據(jù)相關(guān)公式計(jì)算錨桿拉力設(shè)計(jì)值之后，可結(jié)合原路基土體的物理性質(zhì)設(shè)計(jì)長度及錨孔直徑，并在綜合考慮多項(xiàng)因素基礎(chǔ)上合理選擇錨桿材料。

4 技術(shù)應(yīng)用要點(diǎn)

設(shè)該高速公路改擴(kuò)建路基加寬施工中所使用的新路基填料和原路基一致，施工中以通鋪的方式在路基的基底鋪設(shè)一層土工格柵，在老路基中的伸入長度是1.5 m，和臺(tái)階寬度相等；在路基填高分別是2 m、4 m和6 m的部位再各鋪設(shè)一層，在老路基中的伸入長度是1.0 m，而后鋪設(shè)于新加寬路基當(dāng)中，長度是6 m，在相應(yīng)高度原路基的臺(tái)階上方設(shè)置錨桿，錨桿長為4 m，和水平面保持30°角，施工中聯(lián)合應(yīng)用開挖臺(tái)階、土工格柵加筋以及錨桿加固技術(shù)。

錨固加筋技術(shù)應(yīng)用中，主要涉及以下施工工序：①清表，即徹底清除坡面的雜物，比如表皮土、腐殖土等。②臺(tái)階開挖，主要結(jié)合工程實(shí)際情況確定臺(tái)階高度和寬度。③預(yù)制錨樁，此工程中所用鋼筋混凝土錨樁長度為2 m、直徑為20 cm，并按照施工設(shè)計(jì)要求在端頭部位設(shè)置成特定子彈頭形狀，從而為后續(xù)打樁施工提供便利。④布設(shè)錨樁，在此環(huán)節(jié)主要將間距控制在約2 m，并在樁上端設(shè)置鋼筋頭，以便后續(xù)固定土工格柵。⑤打樁，此環(huán)節(jié)注意錨樁和臺(tái)階相應(yīng)開挖轉(zhuǎn)角應(yīng)保持10 cm的間距，而后錘擊，利用錘擊動(dòng)力確保其進(jìn)入原路基土體中。⑥布設(shè)格柵，在臺(tái)階高度和待填筑加寬路基相應(yīng)高度一致后鋪設(shè)土工格柵，同時(shí)在橫向肋條和朝上折起的外露鋼筋順利連接之后，就可拉緊土工格柵，同步采取固定措施。⑦填土碾壓，在以上作業(yè)結(jié)束之后，就可對(duì)土工格柵上方所覆蓋的填土進(jìn)行碾壓作業(yè)，進(jìn)而進(jìn)行下一層的填筑作業(yè)[3]。

另外，在土工格柵鋪設(shè)施工中，要注意：①鋪設(shè)期間需先全面整平經(jīng)過碾壓且和壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)相符的填土，將堅(jiān)硬突出物全面清除，以防格柵被刺破，確保格柵鋪設(shè)密貼與平整后再填土。②鋪設(shè)格柵期間不可有褶皺，盡量把格柵拉緊拉直。③鋪設(shè)格柵之后，嚴(yán)禁機(jī)械設(shè)備在上方直接運(yùn)行，以防格柵受損或者過度拉伸。④為避免格柵外露并便于護(hù)坡施工，需要在外緣邊坡的表面設(shè)置＞1m的間隔距離。⑤格柵存放和運(yùn)輸期間需采取遮蓋措施，防止因長時(shí)間暴露而影響格柵材料質(zhì)量，完成鋪設(shè)工作后需盡快填筑。⑥施工中要盡量減少切割以及縫合格柵，避免材料浪費(fèi)。⑦低洼部位在不能順暢排出地表水情況下，為攔截地表水，以防滲入施工場地，需合理設(shè)置排水溝等設(shè)施，并注意根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況做好臨時(shí)排水工作。⑧土工格柵材料鋪設(shè)中要做好質(zhì)量檢驗(yàn)工作，具體允許偏差和檢查方法與數(shù)量見表1。

表1 土工格柵材料鋪設(shè)中的允許偏差和檢查方法與數(shù)量

5 技術(shù)應(yīng)用效果

為了分析錨固加筋技術(shù)高速公路改擴(kuò)建路基加寬施工中的應(yīng)用效果，特選取廣西濱海公路某路段斷面展開數(shù)值分析。結(jié)合計(jì)算斷面搭建有限元計(jì)算幾何模型，土層計(jì)算參數(shù)見表2。土工格柵不承受壓力，只承受拉力，屬于柔性材料，無抗彎剛度，所以模型建立中選擇格柵單元模擬[4]。其中，格柵單元屬于線彈性體，為一維單元，只可順著軸的方向變形。經(jīng)過綜合分析，決定通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)形式的錨桿拉桿單元來模擬錨桿，由高強(qiáng)度格柵模擬錨桿系統(tǒng)注漿體[5]。

表2 土層計(jì)算參數(shù)

經(jīng)加寬處理和分析，發(fā)現(xiàn)和只開挖臺(tái)階的處理方式相比，運(yùn)用錨固加筋技術(shù)使得加寬后的新路表沉降明顯減少，約減少7.2%，使基底應(yīng)力相對(duì)均化；同時(shí)使地表水平位移減少約41.2%，施工之后路基表面沉降控制效果顯著，減少約13.0%，并有效控制了不均勻沉降，坡面坡率變化幅度達(dá)到0.33%，符合設(shè)計(jì)要求；運(yùn)用錨固加筋組合式結(jié)構(gòu)使得格柵增強(qiáng)了受力性能，抗拉性能也更好；運(yùn)用此技術(shù)對(duì)高填方路基進(jìn)行加寬處理，整體路基的穩(wěn)定性明顯提升。

6 結(jié)語

在廣西濱海公路改擴(kuò)建加寬施工中，為了防止新老路基出現(xiàn)嚴(yán)重的不均勻沉降問題，保證新老路基可靠銜接，提出在施工中應(yīng)用路基加寬錨固加筋技術(shù)。通過分析技術(shù)應(yīng)用機(jī)理，探討組合式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，經(jīng)有限元模擬，證明在高填方路基加寬施工中應(yīng)用錨固加筋技術(shù)，可促進(jìn)老路基和新鋪設(shè)土工格柵全面連成一體，防止老路基臺(tái)階上所鋪設(shè)的土工格柵發(fā)生滑動(dòng)位移，使新老路基更加穩(wěn)定，減少不均勻沉降。此技術(shù)在該工程中的應(yīng)用可為軟土路基以及高填方路基相關(guān)項(xiàng)目加寬施工提供一定參考。