高速公路改擴建項目基層沉降與加固技術研究分析

黨振安

（甘肅第七建設集團股份有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 高速公路改擴建的背景和意義

我國高速公路建設，依托國家頂層的政策及行業(yè)務實的發(fā)展戰(zhàn)略，在廣袤的國土上，建立起了橫貫東西、縱深南北、遙遙領先世界的高速公路網，為國民經濟發(fā)展及各種元素溝通交流提供了最為暢通的渠道。但是，備受成績鼓舞的同時，也應正視部分已建成高速公路與時代發(fā)展脫節(jié)的難題。早期建成的部分路網，因設計水平局限性，未能長久地考慮到當?shù)亟洕鐣陌l(fā)展、車輛保有數(shù)量劇增、生態(tài)環(huán)境保護以及服務水平低下等問題，導致其無法滿足日益增長的交通需求。相比于新建高速公路，在盡量確保經濟效益的前提下，對已有高速公路的改建、擴建與升級加固，是不多占用土地資源、綠色環(huán)保最優(yōu)解決方案。

高速公路改建、擴建以及升級加固，是一項依托于新時代高質量發(fā)展背景下的綜合性強、復雜程度高的全新產業(yè)，其建設內容可以涵蓋新標準與舊標準的覆蓋替代、新公路與舊公路的質量銜接、新設施與舊設施的更新?lián)Q代，從中衍生出的新技術、新材料、新工藝、新設備，又可作為高速公路建設行業(yè)全新的領域，對于行業(yè)轉型發(fā)展及人力資源的利用都具有十分重要的意義。通過原有高速公路的改建、擴建及升級加固，將原有車道升級為匹配日益增長需求的拓寬車道，提高高速公路路面質量，提升高速公路服務能力，擴充車流通行能力，依托5G信息技術的發(fā)展，全面提升高速公路綠色運輸、智慧管理的需求。

2 高速公路改擴建時基層不均勻沉降現(xiàn)象研究

高速公路在國民經濟的建設與發(fā)展中占據(jù)牢固的地位，高速公路網的全面串通建設，是聯(lián)動各個不同地區(qū)經濟發(fā)展的關鍵所在。伴隨公路行業(yè)在新時代下全新的發(fā)展機遇，高速公路上的車流量呈逐年遞增狀態(tài)，這就導致部分的高速公路無法滿足未來的發(fā)展趨勢，基于上述原因，大段里程高速公路需要改擴建。區(qū)別于新建的高速公路，高速公路的改擴建工程在技術方面而言，也是十分不易，且在建設過程中，路基結構的改擴建就顯得尤為重要，施工階段要充分考慮并且避免因新舊路基之間施工產生的不均勻沉降問題，保證高速公路改擴建的施工質量[1]。

針對高速公路在改擴建階段出現(xiàn)的基層不均勻沉降等問題，國內部分高校及研究機構已經在相關方面開展了非常多的研究，研究結果涵蓋高速公路基層防水、路基拼接結構穩(wěn)定、不均勻沉降發(fā)生機理、解決基層沉降的主要技術等關鍵性問題。理論研究結果顯示，高速公路在改擴建階段因發(fā)生的基層沉降而產生的結構不穩(wěn)定現(xiàn)象主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1 高速公路改擴建新老基層連接失穩(wěn)

高速公路在改擴建階段，由于設計、施工、材料、工藝、地質等因素的影響，老基層無法與新基層產生很好的銜接，導致結構不穩(wěn)，從而產生路基滑移以及坍塌現(xiàn)象的發(fā)生。且在復雜地質條件路段，高速公路改擴建時常見的病害會因地基土軟弱、大跨度位面、大高差斷面等因素，產生不同的結構變形裂縫及基層滑移量，對高速公路整體的強度及安全性能是個極大的考驗，上述問題如果不能得到很好的解決，始終是制約高速公路發(fā)展的一項瓶頸問題。

2.2 高速公路改擴建基層不均勻沉降產生的路面損毀

高速公路改擴建施工完成以后，常見因新舊基層結合之后不均勻沉降產生的結構層斷裂，進而影響到路面的結構層及使用性能。當路面材料為水泥路面時，常見的病害多為基層結合部位的裂縫，以及影響到路面板塊的裂縫。當路面材料為瀝青路面時，常見的病害多為新老基層連接處填料的松動，以及基層結合面的碎裂及路面板塊的斷裂。高速公路改擴建時基層不均勻沉降導致的基層及路面裂縫，如遇降水，水會沿裂縫下滲，破壞路基與地基，導致路面承載能力及強度出現(xiàn)不可挽救的下降，如遇寒冷天氣，還會產生凍脹現(xiàn)象。上述因改擴建產生的病害，都會造成路面結構的損傷，致使高速公路在改擴建之后反而會出現(xiàn)結構失穩(wěn)，承載力下降，危及行車安全的種種隱患。

2.3 高速公路改擴建基層受力不匹配而產生的離析

高速公路路面結構的基層，因其材料性能及力學性能的不同，可以分為柔性基層、半剛性基層以及剛性基層3大類[2]。柔性基層通常有被稱為大粒徑透水性瀝青混合料，施工人員習慣將它稱之為“大黑碎”。柔性基層整體的性能體現(xiàn)為具有良好的透水性，但因其組成材料的特殊性，導致柔性基層會在烈日暴曬、車輛自重等作用下產生微弱的局部變形，導致路面上形成難以消除的車轍印記，長久以往，路面的車轍印記與基層的不均勻沉降的變形產生累積，從視覺效果上加大了高速公路整體的變形。因此，要減小基層受力不匹配而產生的離析，就要控制高速公路路面基層的設計選用，控制其整體的變形程度。而對于半剛性基層和剛性基層來講，由于其自身結構的穩(wěn)定性，不會產生類似柔性基層不可恢復的變形，也正因如此，半剛性基層及剛性基層作為改擴建時的新基層，會與原有道路的基層發(fā)生無法貼合的脫空現(xiàn)象，導致基層底部的受拉應力增大，引發(fā)基層斷裂的現(xiàn)象發(fā)生。

3 高速公路改擴建基層沉降計算分析

3.1 高速公路改擴建基層沉降理論分析法研究

現(xiàn)階段有關基層不均勻沉降的理論研究多為預測計算，主要可以概括為以下2個方面，一方面是選用大量的現(xiàn)場及實驗數(shù)據(jù)，采用計算機構建模型，代入工程建設參數(shù)進行較為復雜的計算；另一方面則是利用理論的基層沉降數(shù)據(jù)與現(xiàn)場勘測的實際數(shù)據(jù)進行實時分析與比對，依托于實際數(shù)據(jù)對理論計算進行修正處理，從而得到更為精確的計算方式，但缺點是不具有代表性。上述方法經常出現(xiàn)在理論計算中，但是實際應用時，仍需要面對許多不可忽略的問題，譬如：土體材料的不穩(wěn)定性，因其很容易受外界水、壓力、地質氣候等外界條件的影響，代入已有的土體參數(shù)進行相關的計算，最終得出的結果可能會存在著較大的誤差。

3.2 常見的分層沉降法計算

以模擬的一段高速公路改擴建工程為基礎進行理論計算，同時要考慮基層受到的路面車輛荷載以及高速公路在基層上部的自身重量荷載，也要考慮到基層自身的沉降與變形，理論表明，土體壓力小于某一個數(shù)值時，土體粒徑之間的壓縮量及孔隙水的擠壓量可以忽略不計，因此，本計算不考慮土體受其他因素的影響，僅以承受荷載及自然沉降對改擴建階段的沉降量進行一個理論上的計算。

首先我們假設，這段高速公路土層已經在壓力P1的作用下趨于壓實狀態(tài)，土層高度為H，土顆粒總體積為Vs，孔隙比為E1，可以得出該土層孔隙體積Vv=E1Vs，總體積則為V1=Vv+Vs=（1+E1）Vs。我們再次假設，將土層的壓力P1增加為P2=P1+ΔP，在壓力P2狀態(tài)下的穩(wěn)定土體高度為H1，這時的土體孔隙比為E2，則該土體在這一階段產生的壓縮量可以為S=H1-H，孔隙體積變化為E2Vs，總體積則為V2=Vv+Vs=（1+E2）Vs，于是可以計算得出，由于壓力的增長，土體的單位體積變化為：

計算過程中，不考慮其他力的作用，并假設壓縮前后土體的截面面積A保持不變，則可以計算出單位體積下，土體模型體積變化量為：

根據(jù)以上計算，可以得出，土體的壓縮量S可以計算為：

若采取分層總和的思路，將改擴建的基層總壓縮量分為M個階段，假設第n個階段的壓縮量為Sn，且基層沉降總量S可以視為各階段沉降量的總和，則可以計算為：

由上述理論計算可以看出，分層總和的計算方式只是考慮了基層最為基礎的豎向沉降，沒有添加其他外力因素的干擾，也未考慮到土體由于承受荷載而產生的橫向變形。在實際建設過程中，需要改擴建的高速路段條件都比較復雜，基層會在自重荷載的作用下，產生橫向變形，此時的基層沉降量需要輔以邊坡的力學穩(wěn)定性進行計算，因此，計算時要綜合土壓力在橫向豎向的作用，完全考慮到基層沉降的影響因素，將數(shù)據(jù)得以修正，以達到最為精確的計算效果。

3.3 理論計算方法分析

高速公路改擴建后的基層沉降量的計算有很多種方式，但大都較為復雜，因為要綜合考慮的因素較多，或者計算要代入的參數(shù)較為多變且數(shù)量龐大，采用上述的分層計算方式可極大地使得計算過程簡化，代入數(shù)據(jù)量小，在道路等級高且路況良好的高速公路上，可以采用上述方式對基層的沉降進行監(jiān)測與計算，確保變形數(shù)值穩(wěn)定在合理可控的范圍之內。

4 高速公路改擴建基層沉降加固措施分析

4.1 基層回填材料的選用

改擴建后的基層回填，必須要選用壓實度好、水穩(wěn)定性高、強度滿足規(guī)范要求的材料?；靥詈蠡鶎訌姸纫罁?jù)《公路路基設計規(guī)范》《公路路基施工技術規(guī)范》中CBR值（指材料貫入量達2.5 mm或5 mm時，單位壓力對標準碎石壓入相同貫入量時的標準荷載強度的比值）的要求及設計要求最終確定[3]，在保證經濟條件的基礎上，較好的回填材料可降低基層不均勻沉降的變形。

4.2 設置土工格室

高速公路改擴建施工時，可將土工格室運用于墊層或邊坡結構，以增加基層的承載力及穩(wěn)定性。土工格室因其材料的特殊性，施工時拉成網格狀，在網格內可以填入因基坑開挖而產生的泥土、碎石等無法用于回填的材料，能夠形成具備側向剛度的結構體，且其可以用于濕陷性黃土、泥質土等不同條件下的高速路建設。在高速公路的改擴建施工中，新舊基層連接處，可以開挖臺階，并在每層臺階上鋪設網格狀的土工格室，利用土工格室優(yōu)異的承載能力增強及荷載分散的特性，解決新舊基層不均勻沉降的病害。但是在對舊有道路進行改擴建時，設置的土工格室在每個臺階上均勻鋪設，從基層根部到路基邊坡，由于土工格室是依靠摩擦作用進行工作，而摩擦面又是依據(jù)壓力與接觸面積進行確定，所以如果是進行了非對稱設置的話，則有可能會出現(xiàn)受力不合理的狀況發(fā)生。

4.3 排水設施的布置

位于降雨多發(fā)地段或受地下水沖蝕的高速公路，在改擴建過程中，務必結合原有的排水措施，對滿足改擴建要求的高速公路使用年限，進行排水設施的深化設計，保證其不會因降水未能及時排出，從而影響高速公路的路面強度及行車穩(wěn)定性能，引發(fā)新舊基層的加速不均勻沉降。實踐證明，高速公路排水設施優(yōu)化布置至關重要，關乎高速公路路面病害的養(yǎng)護劑結構穩(wěn)定性的安全要求。

4.4 控制路基壓實度標準

高速公路改擴建工程中基層壓實度的要求，需滿足《公路路基設計規(guī)范》（JTG D30—2015）的要求，在正常設計要求下的壓實方法之外，還可以采用大噸位沖擊碾壓及補夯的方法進行基層壓實的處理，杜絕因基層壓實度不夠而產生的不均勻沉降。

4.5 注漿加固措施的應用

基層發(fā)生沉降現(xiàn)象時，可依據(jù)沉降量的大小，對基層結構實施注漿加固技術。注漿時，首先應對結構病害產生部位進行明確標識，劃定范圍之后，對注漿孔位進行定位放線，按設計規(guī)范要求對注漿的配合比進行調配，滿足要求后進行注漿工作。注漿要采用壓力設備進行注射，充分依靠壓力的作用將水泥漿等材料灌入結構，既要確保注射路徑都有漿液注滿并填充密實，也要確保漿液不能過多溢出，影響其他部位的結構穩(wěn)定，導致發(fā)生道路起拱等危及行車安全的狀況發(fā)生。漿液通過注漿孔進入加固結構，對于小于注漿壓力的區(qū)域進行填實，當加固區(qū)結構強度大于注漿壓力，則漿液通過泄?jié){孔流出，依靠液體的穿透能力，保證加固區(qū)域的加固成效[4]。

5 結語

高速公路改擴建時常發(fā)生的基層沉降現(xiàn)象，一直是困擾從業(yè)人員施工與運維的持久性問題，本文針對在高速公路改擴建階段發(fā)生的基層沉降現(xiàn)象進行了分析，結合工程實際與理論規(guī)范研究，提出了一種可實施運用的計算方式，以期在設計階段及施工階段，對基層的沉降量進行一個大致的判斷，從而在技術層面進行方案的制定與相關措施的研究，提升道路施工安全，降低可預估的風險等級，基于文中新老基層沉降原因的分析，進而有針對性地研究并提出其加固處理措施，在理論上為從事該產業(yè)鏈的相關人員帶來相應的啟發(fā)與思考。