高速公路軟基路段加寬設計探討

王俊麗

0 引言

隨著我國國民經濟快速增長，城市與城市的溝通發展日趨繁榮、城市與鄉鎮的協作發展逐漸緊密，致使交通量與日俱增，以往的干線、國道、高速公路已不滿足經濟快速、可持續發展的需要，迫切需要構建“以高速公路為主、新干線為輔”的新型公路網。特別是隨著近年來交通量的增大、貨運車輛的重型化，國內多條已有的高速公路主干線的功能、服務水平下降顯得尤為突出，這些高速公路原多為雙向四車道，擁堵頻繁，已不滿足現階段交通發展要求，對該部分高速公路的改擴建勢在必行。而高速公路擴建是目前高速公路建設的難點之一，其制約因素眾多，遠較新建高速公路復雜，對其尚未形成統一的設計指標體系。而其中，軟土路基的加寬設計又是其中的重點和難點，目前國內高速公路的改擴建實例為數不多，尚無成熟的技術與經驗，擴建設計中存在不少的難題有待進一步的共同探討研究。

1 項目概況

國道主干線廣州繞城高速公路小塘—茅山段，位于廣州市西北，與廣三高速公路采用全互通立交相接，與廣三高速公路相交路線里程K22+770～K25+260，長2.5 km，廣三高速公路于 1996年建成通車，路基寬度24.5 m、雙向四車道，設計速度100 km/h，現廣三高速公路擬擴建為雙向八車道，路基寬度為41 m，因此該部分加寬與西二環高速同期實施，采用兩側加寬的方式，半幅加寬寬度為8.25 m。

由于該路段處于珠江三角洲微丘區，沿線魚塘密布，軟基層厚5.2 m～9.6 m不等，天然含水量為42%～118%，天然孔隙比為1.03～3.2，此處填土高度平均為5 m左右，廣三高速公路原設計地基處理采用排水固結法，為確保加寬后該段路堤的穩定性和工后沉降滿足要求，防止不均勻沉降造成的影響，須采取有效的軟基處理方法進行處理。

2 加寬設計

2.1 加寬處治方式選擇

表1 各種樁的優缺點比較

由于廣三高速公路原設計地基處理采用排水固結法處理，加寬路段不適宜采用排水固結法進行處理，給出排水通道，減小了孔隙水壓力，但增大了不均勻沉降，這樣會造成新老路的差異沉降大，因此選取復合地基法較合理，現在常用的復合地基法采用水泥攪拌樁、預應力管樁和素混凝土樁，其優缺點比較見表1。

項目所在區域地質情況變化較大，軟基較深，并且工期較緊，采用預應力管樁處理較為合理。

2.2 路基拼接

在老路坡面開挖時，采取一定的支護措施，將邊坡調整為1∶0.5，再開挖臺階，調整新老路基拼接部位的應力狀態，保證新舊路基的良好銜接，避免或減少橫向錯臺和縱向裂縫的發生，填筑加寬路基前在原路基邊坡上開挖臺階(向內傾斜4%)，同時自下而上，開挖一階及時填筑一級，臺階開挖尺寸100 cm×66 cm，以加強新老路堤的連接，具體見圖1。

拼接路基要注意填料選擇和填料控制，為減少新填路基的壓縮變形，在施工條件允許的前提下適當提高壓實度標準。并且利用土工材料增強連接，協調土體變形，避免縱向裂縫的產生;在新老路基的填筑上應用土工材料能有效地增強老路基與拼接路基土體間的連接性，限制和協調土體的變形，均化荷載，提高拼接路基的抗剪強度，增強拼接路基的整體性。土工合成材料采用強度適中的土工格柵，基底開始鋪設一層土工格柵，以后每隔一個臺階頂面均鋪設一層土工格柵。管樁的實施應布置在開挖坡角處，并逐排向外進行，間隔施工。

3 預應力管樁設計計算

3.1 管樁結構計算

3.1.1 抗裂彎矩

管樁抗裂彎矩按以下公式計算:

其中，Mcr為抗裂彎矩，kN?m;σpc為混凝土有效預壓應力 ，MPa;ftk為管樁混凝土抗拉強度標準值，MPa;Wo為管樁換算截面積受拉邊緣的彈性抵抗矩，mm3。

3.1.2 極限彎矩

管樁極限彎矩按式(2)計算:

其中，Mμ為管樁極限彎矩，kN?m;A為管樁樁身橫截面面積，mm2;Ap為預應力鋼筋面積，mm2;r1，r2分別為管樁樁身環形截面內外半徑，mm;Dp為預應力鋼筋所在圓周直徑，mm;α為受壓區混凝土面積和全截面面積之比;α1為受拉區縱向預應力鋼筋面積與全部預應力鋼筋面積之比;fptk為預應力鋼筋強度標準值，MPa;f′py為預應力鋼筋的抗壓強度設計值，MPa;fck為混凝土軸心抗壓強度標準值，MPa。

3.1.3 管樁樁身結構豎向承載力計算

管樁樁身結構豎向承載力設計值按下式計算:

其中，Rp為管樁樁身結構豎向承載力設計值，kN;A為管樁樁身橫截面面積，mm2;fc為混凝土軸心抗壓強度設計值，MPa;φc為工作條件系數，計算取0.7。

在進行基礎設計時樁身強度應符合下式要求:

其中，Q為相應于荷載效應基本組合時的單樁豎向力設計值，kN。

3.1.4 管樁樁身結構對應的單樁豎向承載力最大特征值

管樁樁身結構對應的單樁豎向承載力最大特征值按下式計算:

其中，Ra為管樁樁身結構對應的單樁豎向承載力最大特征值，kN。

3.1.5 管樁樁身受拉承載力設計值

管樁樁身受拉承載力設計值應符合下式要求:

其中，N為管樁樁身軸向拉力設計值，kN;fpy為預應力鋼筋的抗拉強度設計值，MPa;Ap為預應力鋼筋面積，mm2。

3.2 設計參數

設計參數見表2。

表2 設計參數

管樁樁頂設置4 mm厚鋼板，其上設置一個100 cm×100 cm×35 cm的托板;管樁采用矩形布置，間距為 2 m～2.4 m，同時為增強樁體之間的聯系，分擔樁體應力，各樁的托板之間填筑55 cm厚的中粗砂作為墊層，頂面鋪設一層土工格柵。

4 注意事項

1)合理選擇樁錘，采用錘擊法，打樁機宜選用三點支撐履帶自行式柴油打樁機，不宜采用自由落錘打樁機。選用筒式柴油錘。

2)管樁接駁時，應采用法蘭盤連接或采用焊接連接，焊接時，清除端面的雜物，應對稱進行，焊接層數不少于兩層，焊縫應飽滿、連續，焊好的樁接頭在自然冷卻后才可繼續施打，冷卻時間不宜少于8 min，嚴禁用水冷卻或焊好后立即施打。

3)打樁過程中，保證樁錘、樁帽、樁中心線一致，施工過程中傾斜率不得超過0.8%。

4)當托板頂填土高度小于50 cm時，嚴禁用大型壓路機碾壓。

5)收錘標準以到達的樁端持力層、最后貫入度為控制標準。正常情況下，最后貫入度按60 cm/10擊控制。

6)加寬路基軟土地基處理前應清表、平整場地。樁體施工由靠近開挖坡角側逐排向外進行，管樁應間隔施工。

7)路堤填筑應分層進行，等載預壓時間不少于6個月，沉降穩定后方可卸載進行路面施工。

5 結語

舊路路基加寬段軟基段設計是項復雜的工作，每個項目都有其特殊性，從設計到施工，都須根據項目的具體情況，如舊路現狀、舊路的軟土路基處理方式、舊路現狀的沉降狀況等諸多方面考慮，還應避免對現狀交通流造成影響，注意新、舊路基的結合等，因此在舊路加寬改造中需要投入比新建項目更多的精力，達到項目的安全、經濟和合理性。

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