高速公路拓寬路基差異沉降控制技術的分析

孔維志

云南云嶺高速公路建設集團第四工程有限公司

【摘 要】高速公路拓寬路基的差異沉降現象是普遍存在的，在進行改擴建施工時，要確定新老路基的差異沉降控制標準，做好工程施工設計，采取合理的控制技術措施，這是目前高速公路改擴建工程中的重點問題。本文首先對拓寬路基的差異沉降機理、特性及影響因素進行分析，確定新老路基的差異沉降控制指標，在此基礎上，探討差異沉降的有效控制措施。分析表明，應用預應力管樁復合地基可以實現對拓寬路基差異沉降的有效控制。

【關鍵詞】高速公路；拓寬路基；差異沉降；控制技術

前言

隨著我國國民經濟的快速發展，人們物質生活水平不斷提高，私家車數量逐年上升，為道路交通帶來了沉重負擔。許多公路已經出現交通量飽和的態勢，難以為市民的出行提供優質、快捷的服務。因此近幾年來高速公路改擴建工程也越來越多，以滿足人們的出行需要。目前高速公路改擴建工程多數采用老路加寬的改擴建方案，新老路基的差異沉降問題已經成為高速公路改擴建工程的技術難點，許多控制技術都沒有達到預期效果，容易導致工程竣工投入使用后出現路面縱向開裂等嚴重問題。因此，對高速公路拓寬路基的差異沉降控制技術進行研究十分必要。本文將首先對拓寬路基的差異沉降問題進行全面分析。

一、拓寬路基的差異沉降機理

目前國內高速公路改擴建工程使用最多的手段是在公路兩側進行對稱拼接加寬，但由于新路基和老路基往往由較大施工時間差異，老路基的固結沉降和次固結沉降已經結束，地基趨于穩定。而新路基在建設過程中智能完成初始沉降，固結沉降和次固結沉降都需要一個較長的時間過程，所以就導致了新老路基的差異沉降。而且由于新路基是附加荷載，會在地基土中產生不均勻的附加應力，引起新的差異沉降，尤其是軟土地基，影響更為嚴重。如果不能采取有效的控制技術措施，會因差異沉降問題導致老路面拉裂或新老路基拼接處開裂等嚴重問題。目前關于拓寬路基的差異沉降的研究主要是從應力與變形方面出發，對公路的拓寬寬度、軟土厚度、路基模量等影響因素進行分析。對其影響因素考慮的不夠全面，而且研究分析不夠深入，因此難以找到有效的控制措施。

二、差異沉降特性及影響因素分析

（一）差異沉降特性

在高速公路拓寬前，老路基沉降分布主要表現為中間大、邊緣小的半盆形，這表示最大豎向位移是在路中心處發生的，與一般新建路基沉降規律一致。但在路基拓寬后，老路基沉降分布發生了變化，并表現出先大后小的變化趨勢，最終呈倒鐘形分布。具體表現為老路基右側沉降逐漸增大，在新路基下方達到最大值后逐漸縮小。在進行拓寬前，老路基坡腳下方的地基內水平位移達到最大值，在中心線處基本為零。拓寬后，新路基坡腳下方地基內水平位移達到最大值，地基土體水平位移處于拼接處分界，左側靠近中心處，水平位移逐漸縮小，左側靠近新路基坡腳處，水平位移逐漸增大。豎向應力的特點是，在拓寬前其最大值處于地基頂面處，并隨地基深度增加而減小，在拓寬后最大值出現上升，并且在新路基地面中心附近移動。最大剪應力在拓寬后也出現上升，出現于老路基邊坡下部，導致邊坡容易出現坍塌，所以需要對邊坡進行加固。

（二）影響因素分析

差異沉降的影響因素主要包括高速公路的拓寬寬度、路基高度、新路基的各項參數、地基彈性模量等。在高速公路改擴建工程中，單側拓寬的車道數量可能從1～4道不等。其路基表面沉降呈先增大后減小的變化趨勢，而且新路基沉降遠大于老路基附加沉降。拓寬寬度越大，最大差異沉降值越大。地基表面的水平位移也隨著拓寬寬度的增加和增大，所以拓寬寬度對差異沉降由較大影響，一般拓寬2個車道為宜。

路基高度對新老路基的差異沉降也有較大影響，取2～8m對路基高度的影響進行分析，隨著路基高度的增加，路基表面的沉降最大值隨之增加，差異沉降值也逐漸增大。所以在滿足最小填土高度的前提下對路基高度進行控制，可以有效降低差異沉降的影響。

新路基參數主對差異沉降的影響主要從土體黏聚力、摩擦角、彈性模量以及重度等方面進行研究。在不同的新路基土體黏聚力下，路基表面沉降的數值基本相同，因此土體黏聚力對路基形變基本沒有影響。對摩擦角的研究分別取10°～40°四種情況，其路基表面沉降也不發生變化，因此，摩擦角對路基形變也基本沒有影響。在研究路基彈性模量對差異沉降的影響中發現，隨著彈性模量的增加，老路基頂面沉降不變，但新路基頂面沉降變小，不過變化幅度較小。說明彈性模量對其影響較小。土體重度則對新老路基的差異沉降由較明顯影響，隨著土體重度的增加，地基表面沉降也逐漸增加，地基表面水平位移逐漸增大。

地基彈性模量對新老路基差異沉降由較大影響，隨著地基彈性模量的增加，路基表面沉降逐漸減小，新老路基的差異沉降也呈減小趨勢。因此，提高地基彈性模量也是控制差異沉降的有效措施。

三、高度公路拓寬路基的差異沉降控制技術

通過上述分析可知，新老路基差異沉降的主要影響因素是地基沉降，因此采取符合地基處置技術是差異沉降控制的可行技術。預應力管樁復合地基由于其成樁速度快、質量高、耐久性卓越、承載力高等特點成為拓寬路基差異沉降控制技術的優先選擇。其控制效果主要受兩方面因素影響，一是樁體自身因素，包括長度、間距、模量等，二是樁體和樁間土的作用關系，包括墊層剛度、土工格柵剛度等。

樁間距是影響其加固效果的重要因素，分別取2m、2.5m和3m對樁間距的影響進行研究。結果表明，2.5m的樁間距對降低拓寬路基差異沉降的效果最好，因此在使用預應力管樁復合地基進行差異沉降控制時，樁間距應選擇2.5m。

樁模量對差異沉降的控制效果也有較大影響，在2.5m樁間距下，分別以20GPa、40GPa和60GPa的樁間距進行計算，結果表明，樁模量越大，降低沉降效果越明顯，降低幅度不大。出于對工程造價的考慮，樁模量取20GPa即可。樁體長度對其控制效果也有一定影響，隨著樁體長度的增加，差異沉降有所下降，但下降幅度不大，一般樁體長度取8m即可。

墊層材料的剛度變化對控制差異沉降的效果有一定影響，隨著墊層材料模量的增加，差異沉降有所下降，呈線性較少趨勢。但是差異沉降下降的效果并不明顯，一般墊層材料模量只要達到10MPa即可。格柵材料的剛度變化對差異沉降控制效果的影響也不明顯。隨著格柵材料模量的增加，差異沉降緩慢下降，當增加至一定程度后，其減幅效果逐漸減弱。因此，一般要求格柵材料的模量達到2GPa即可，其差異沉降的最小值就能小于控制指標。

四、結束語

總而言之，新老路基的差異沉降問題已經成為高速公路改擴建工程的主要技術問題，必須采取有效的控制措施，避免出現公路開裂等嚴重問題。本文主要分析了拓寬路基的差異沉降機理和影響因素，從而提出幾點控制措施，著重介紹了預應力管樁復合地基的使用，希望能為差異沉降控制提供參考。

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