高速公路改擴(kuò)建技術(shù)的應(yīng)用研究

陶吉訪

(廣西桂海高速公路有限公司,廣西 南寧 530022)

0 引言

近些年來,隨著我國交通工程建設(shè)的不斷推進(jìn),高速公路的總里程數(shù)迅速增加。但與此同時,對于較早修建的高速公路,由于當(dāng)時經(jīng)濟(jì)水平以及技術(shù)限制,路寬或其他方面已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在的要求,因此需要考慮在原有高速公路的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)建。在此背景下,高速公路改擴(kuò)建技術(shù)得到快速發(fā)展。高速公路改擴(kuò)建主要是指為提高高速公路現(xiàn)有的技術(shù)等級,對現(xiàn)有高速公路進(jìn)行大規(guī)模改造[1]?，F(xiàn)有的高速公路改擴(kuò)建技術(shù)關(guān)鍵在于控制改擴(kuò)建之后高速公路的工程質(zhì)量,主要包括擴(kuò)建后路基的穩(wěn)定性以及路基的不均勻沉降等方面。路基的穩(wěn)定性是路基設(shè)計的基本要求,對于高速公路的改擴(kuò)建,關(guān)鍵在于對新老路基的連接處這一薄弱位置的穩(wěn)定性進(jìn)行控制。新老路基不均勻沉降也是導(dǎo)致改擴(kuò)建后高速公路出現(xiàn)質(zhì)量問題的重要因素,不均勻沉降會產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng),導(dǎo)致路面裂縫的出現(xiàn)。目前國內(nèi)外學(xué)者在關(guān)于高速公路改擴(kuò)建技術(shù)的研究上已經(jīng)取得了較多成果。王海燕等[2]改進(jìn)了傳統(tǒng)的分層總和法,提出了基于路基自身壓縮這一理論的分層總和法,這一方法與有限元分析軟件得到的結(jié)果相近,且計算方法更為簡單。李默涵[3]研究了軟土路基加寬處理技術(shù),得到一種新的計算方法,可近似模擬加寬路基擴(kuò)寬部分的沉降。苗貴華[4]基于離心加載這一方法,通過數(shù)值計算模擬了高速公路改擴(kuò)建,得到在擴(kuò)建工程中新老路面交接位置更易開裂這一結(jié)論。畢海江等[5]基于實際高速公路改擴(kuò)建工程,采用開挖換填、加固擋土墻等多種工程措施,提高擴(kuò)寬后路基的整體穩(wěn)定性。本文對目前高速公路改擴(kuò)建工程可能遇到的問題以及已有的研究成果進(jìn)行總結(jié),對路基沉降進(jìn)行了研究,同時以柳州(鹿寨)至南寧高速公路改擴(kuò)建工程為例,研究了高速公路新老路基連接處的處理技術(shù),以期為高速公路改擴(kuò)建技術(shù)的進(jìn)一步深入研究提供借鑒。

1 高速公路改擴(kuò)建工程中路基不均勻沉降的原因分析及路基拼裝技術(shù)

1.1 路基不均勻沉降原因分析

在高速公路改擴(kuò)建工程中,新老路基的不均勻沉降是影響工程質(zhì)量最主要的因素之一,正確認(rèn)識其產(chǎn)生原因,計算不均勻沉降的大小,是控制新老路基不均勻沉降的前提。根據(jù)已有的研究,導(dǎo)致新老路基不均勻沉降的原因主要有三個,即新老路基之間的自身變形差異,新老路基的基礎(chǔ)固結(jié)程度差異以及新老路基之間的結(jié)合強度不足。

1.1.1 新老路基的自身變形差異

在最初高速公路設(shè)計與修建過程中,大多未考慮后期可能進(jìn)行的高速公路改擴(kuò)建工程,因此在進(jìn)行新路基擴(kuò)寬時條件受限,新路基的填土壓實度往往達(dá)不到要求,導(dǎo)致在運營過程中產(chǎn)生較大變形。而對于老路基來說,因其長期承受自重以及車輛荷載,變形相對于新路基非常小,新老路基之間的自身變形差異就會導(dǎo)致路基整體發(fā)生不均勻沉降。

1.1.2 新老路基的固結(jié)和沉降差異

當(dāng)路基土為軟土?xí)r,老路基的固結(jié)度比新路基高很多,新路基的擴(kuò)寬會產(chǎn)生新的附加應(yīng)力,導(dǎo)致新路基的沉降比老路基大很多,從而產(chǎn)生路基的不均勻沉降。

1.1.3 擴(kuò)建路基結(jié)合強度不足

新路基與老路基的物理力學(xué)性質(zhì)不一致,當(dāng)二者共同受力時會發(fā)生變形不協(xié)調(diào),當(dāng)新老路基交接處的結(jié)合強度不足時,新路基就會沿接觸面發(fā)生下滑,導(dǎo)致路基的不均勻沉降,甚至發(fā)生路基整體的破壞。

1.2 路基拼裝技術(shù)

高速公路改擴(kuò)建工程中最易出現(xiàn)的問題就是新老路基之間的不均勻沉降使新老路基接觸位置發(fā)生應(yīng)力集中和錯位,導(dǎo)致路基破壞。因此處理好新老路基之間的接觸位置是決定工程質(zhì)量的重中之重。目前針對這一問題能夠采取的措施主要有以下三種:

(1)清表,即在擴(kuò)建之前,將老路基的表層土挖除30 cm。

(2)填筑新路基之前在老路基上面挖臺階以增大新老路基之間的接觸,保證其具有更好的整體性。

(3)鋪設(shè)土工格柵,加強新老路基之間的連接,使其荷載分布更加均勻,提高路基的整體性。

2 高速公路改擴(kuò)建技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用

2.1 工程概況

柳州(鹿寨)至南寧高速公路改擴(kuò)建工程起訖樁號為K1220+675～K1469+300,全線改擴(kuò)建里程為248.698 km,共設(shè)互通式立交15處,服務(wù)區(qū)6處、停車區(qū)3處、特大橋3座。初步設(shè)計批復(fù)概算為200.3億元,全線采用八車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)改擴(kuò)建。其中起點至靜蘭段40.144 km,設(shè)計速度為100 km/h,路基拓寬至41 m;靜蘭至終點段208.554 km,設(shè)計速度為120 km/h,兩側(cè)拼寬及新建路段路基寬度為42 m,單側(cè)分離加寬段新建路基寬度為20.75 m。新建橋涵設(shè)計汽車荷載采用公路-Ⅰ級,其他技術(shù)指標(biāo)按《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01-2003)執(zhí)行。本文重點研究該項目中路基擴(kuò)寬技術(shù)。

2.2 擴(kuò)寬路基的壓實

2.2.1 路基壓實

路基壓實是保證路基正常工作的重要基礎(chǔ),路塹、路堤以及基底都需要進(jìn)行壓實,其主要目的是減小孔隙比,提高路基土體的密實度,增加粘聚力,減小路基的沉降。路基的壓實本質(zhì)上是破壞土體原有結(jié)構(gòu),使土顆粒重新排列分布,達(dá)到一種更加密實的新的平衡狀態(tài)。此時土體強度得到了很大提高,也大大減小了路基服役期間的沉降量。

2.2.2 碾壓機具和方法

路基壓實采用的機械主要分為夯實型和振動型,其中夯實式的設(shè)備對路基進(jìn)行壓實的效果最好。隨著壓實時間的增加,土體密度越高,一般通過機械對路基進(jìn)行碾壓6次以內(nèi)時,隨著碾壓次數(shù)的增大,土體密實度明顯增大;6～10次時,密實度增大速率明顯下降;超過10次后,隨著碾壓次數(shù)的增加,土體密實度基本不再增長。同時,還要注意壓實的限度,過度壓實可能會導(dǎo)致土體發(fā)生剪切破壞。

2.3 新老路基聯(lián)合工作狀態(tài)的數(shù)值模擬分析

本文通過ABAQUS有限元分析軟件建立數(shù)值模型,假設(shè)土體材料為各向同性、連續(xù)均勻的彈塑性介質(zhì),本構(gòu)模型選取線彈性模型和摩爾-庫侖模型[6],使模型先在自重條件下實現(xiàn)地應(yīng)力平衡,再對其施加與車輛荷載等效的均布靜載和振動荷載,監(jiān)測路基的變形情況。數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 擴(kuò)建后的路基數(shù)值模型示意圖

對新老路基的豎向位移和水平位移進(jìn)行監(jiān)測,得到了沿路基表面方向和沿路基的豎向位移分布曲線,如圖2和圖3所示。

圖2 路基表面沉降變化曲線圖

如圖2所示,在施加車輛荷載后,由于新老路基的材料差異,其變形模量也存在較大差異。老路基的沉降值變化較小,變化范圍基本在0.25～0.60 cm浮動,但新路基部分沉降明顯,基本在0.80～1.20 cm,且新老路基接觸位置為沉降值變化的拐點,在新路基的路肩處沉降量略有減小。

分別監(jiān)測了新老路基中心線位置不同深度處的沉降量,如圖3所示。

圖3 路基深度方向沉降變化曲線圖

如圖3所示,路基在不同深度的沉降曲線大致沿線性分布。其中,沉降量的最大值出現(xiàn)在路基表面位置,隨著深度變大,沉降值逐漸減小。在相同深度處,新路基的沉降值均大于老路基,但隨著深度不斷增加,二者的沉降差逐漸減小。同時,從二者曲線斜率也可以看出,新路基的沉降要比老路基明顯很多。

計算得到了沿路基表面方向和沿新路基邊坡高度的水平位移分布曲線,如圖4和圖5所示。

圖4 路基表面水平位移曲線圖

如圖4所示,沿路基表面的水平位移曲線大致呈“倒鉤”狀。在老路基部分,水平位移近似線性增加,在新老路基接觸位置達(dá)到水平位移最大值,約為0.38 cm,在新路基處水平位移開始減小,當(dāng)?shù)竭_(dá)新路基路肩位置,水平位移減小至0.1 cm。

圖5 新路基邊坡水平位移曲線圖

如圖5所示,監(jiān)測了沿新路基邊坡不同高度處的水平位移量,水平位移沿新路基邊坡高度先增大后減小,且上下水平位移基本呈現(xiàn)對稱分布,當(dāng)距離路面2.5 m位置時,水平位移達(dá)到最大值,約為0.4 cm。因此,在進(jìn)行路基擴(kuò)寬工程時,要特別注意邊坡坡腰處的加固,減小其水平變形。

3 結(jié)語

本文對目前高速公路改擴(kuò)建工程可能遇到的問題以及已有的研究成果進(jìn)行了總結(jié),對路基沉降進(jìn)行了研究,同時以柳州(鹿寨)至南寧高速公路改擴(kuò)建工程為例,研究了高速公路新老路基連接處的處理技術(shù),得到以下結(jié)論:

(1)高速公路改擴(kuò)建工程中最可能遇到的問題主要是新老路基不均勻沉降。導(dǎo)致新老路基不均勻沉降的原因主要有三個,即新老路基之間的自身變形差異、新老路基的基礎(chǔ)固結(jié)程度差異以及新老路基之間的結(jié)合強度不足。

(2)處理新老路基接觸位置的措施主要有三種:清表;填筑新路基之前在老路基上面挖臺階以增大新老路基之間的接觸;鋪設(shè)土工格柵,加強新老路基之間的連接,提高路基的整體性。

(3)在施加車輛荷載后,老路基的沉降值變化較小,但新路基部分沉降明顯,且新老路基接觸位置為沉降值變化的拐點。路基在不同深度的沉降曲線大致沿線性分布,沉降量的最大值出現(xiàn)在路基表面位置,隨著深度變大,沉降值逐漸減小。在相同深度處,新路基的沉降值均大于老路基,但隨著深度不斷增加,二者的沉降差逐漸減小。

(4)沿路基表面的水平位移曲線大致呈“倒鉤”狀,在老路基部分,水平位移近似線性增加,在新老路基接觸位置達(dá)到水平位移最大值,在新路基處水平位移開始減小。水平位移沿新路基邊坡高度先增大后減小,且上下水平位移基本呈現(xiàn)對稱分布,在進(jìn)行路基擴(kuò)寬工程時,要特別注意邊坡坡腰處的加固。