高速公路新舊路基銜接處不均勻沉降問題分析

杜 玉

(山西省晉中路橋建設集團有限公司，山西 晉中 030600)

0 引言

隨著省內交通運輸及物流行業的快速發展，高速公路通行量及荷載水平快速提升，建設于21世紀初期的高速公路結構的通行能力和承載能力均無法滿足當前的通行和承載要求，為了實現高速公路的長期、可持續服役目的，必須對既有高速公路的路基結構進行拓寬改造施工，以提升老舊高速公路的綜合技術指標。高速公路加寬施工中，新舊路基結構的銜接施工位置及銜接位置的不均勻沉降控制是工程施工中的重點和難點。為了提升省內高速公路拓寬改造施工技術的綜合能力，必須強化新舊路基的沉降控制技術，切實降低改造后路基結構的不均勻沉降病害概率，并為后續的省內既有高速公路改擴建施工提供技術參考和借鑒。

1 新舊路基銜接位置不均勻沉降影響因素分析

1.1 路基拓寬方式及寬度對不均勻沉降的影響因素

經施工項目現場試驗分析可知，新路基的拓寬長度增長值與新舊路基的沉降增長值二者之間呈現出顯著的正相關關系，但是并非簡單的線性關系，相關曲線的斜率值逐步降低。對于高速公路路基單側加寬施工而言，原有路基結構的中線位置的沉降逐步增加，但中線周圍的沉降值較低，沉降變化規律為先增加后降低。若假定加寬路基的路堤高度值恒定，在拓寬長度較低時，路基頂部出現沉降的最大位置一般位于加寬后路肩結構的外圍，在加寬施工過程中，沉降量最大值逐步向路基中心位置合并，并在新填筑的路基結構表面形成反向的橫坡。在車輛荷載及外部環境的耦合作用下，路基結構容易受到破壞。綜上，在原有路基拓寬寬度較小的情況下，由于受到車輛荷載及外部惡劣環境的耦合作用下，為了降低其對路基結構的破壞和影響，可以選用單車拓寬施工技術；若拓寬值較大時，新舊路基結構的沉降差異對拓寬寬度的變化敏感性較強，一般不建議在工程中使用。本拓寬改造項目的路基結構呈中心對稱形式，在計算中，選定的加寬長度分別為7.5 m和15 m，相應的半值分別為3.75 m和7.5 m，最終的沉降結果值如表1所示。

表1 不同拓寬寬度相應的新舊路基沉降差值

1.2 加寬路基高程變化對沉降差異的影響分析

在施工項目現場采取試驗的方式對距離舊有路基中心不同距離下的相應頂面沉降值進行分析，具體沉降值統計結果如表2所示。

表2 沉降值統計結果

分析表2可知，對應的路基填筑高度越低，新舊路基結構在頂部位置的沉降曲線的變化幅度越顯著；且新舊路基結構的填土高度與新路基結構對舊路基結構的影響之間呈現明顯的正相關關系，由于舊有路基結構的沉降值降低，最終的路堤結構頂部的沉降段的變化趨勢逐步趨向于緩和。經現場試驗研究可知，路基填筑高度與舊有路基對新路基的沉降影響程度之間呈正相關關系，所以，相應的拓寬路基結構在脫離原有路基結構邊坡后，拓寬部分的沉降差異值較低，由于新舊路基結構沉降的不同步性，導致路基結構內部局部出現應力集中問題，最終引起“波浪形”沉降病害。

2 新舊路基銜接位置不均勻沉降指標控制分析

省內高速公路施工中，路基結構層的主要土質類型為黃土，黃土結構的典型特性是在浸水條件下承載能力急劇下降，干燥黃土和含水率較高的黃土的承載能力之間存在明顯的差異；由于黃土在浸水后，其承載能力下降顯著，其承載特性類似于軟土，在上部荷載和環境的耦合作用下，很容易引發局部不均勻沉降。高速公路路基拓寬改造施工中，不均勻沉降控制指標主要是縱坡和橫坡，上述兩個指標的控制可以實現路基沉降的總體控制目的。

2.1 高速公路路基拓寬后的縱坡要求

JTG B01—2015公路工程技術標準中對路基沉降引起的縱坡變化進行明確的規定，在不同設計時速條件下，路基縱坡的控制標準如表3所示。

表3 不同設計時速條件下的縱坡最大值

分析表3可知，不同設計時速條件下的縱坡極限值相差最大值為1%，縱坡率對行車速度影響極為敏感，在確定控制標準時必須謹慎。在該拓寬改造施工項目中，選取0.5%作為坡度變化的限值。

2.2 高速公路路基拓寬后的橫坡要求

原有路基結構的沉降基本完成，改造后的路基結構在自重作用下的沉降量尚未完全，依照項目施工經驗，拓寬改造后的路基結構在新路堤結構的作用下，對于原有路基的殘余沉降量較小，在新路基結構的形心位置由于應力集中問題，殘余的沉降值增加。由于加寬改造施工對道路橫坡的影響較為明顯，在設計過程中，若選定的橫坡率值為2%，雖然能夠提升排水效率，但是不利于行車安全，本工程項目選定的橫坡率值為0.5%。路基加寬施工不同位置沉降分布如圖1所示。圖1中，1表示舊路基沉降分布情況，2表示拓寬后的路基沉降分布情況。

3 新舊路基銜接位置常用不均勻沉降控制措施分析

3.1 新舊路基削坡及臺階開挖施工技術

原有路基結構的削坡及臺階開挖可以顯著控制不均勻沉降，根據本工程項目，在加寬路基施工中，原有路基的表層開挖厚度值應不低于300 mm，且開挖的材料不能應用在新填筑路基中，斜坡疏松土必須及時清理，臺階開挖應選用由下至上的方式進行開挖。在具體的臺階開挖過程中，結合本工程項目實際情況，以最大程度保證大斜坡路基的穩定性，應先削坡再進行臺階開挖，且削坡環節應劃分為多次進行，且后續削坡的坡率值應逐步放緩。本拓寬改造項目選用的臺階開挖方式為豎傾式臺階，豎傾臺階可以保證逐層臺階開挖的壓實特性，但是相應的施工難度較高，由于本工程項目在臺階開挖過程中沒有使用加固格柵，因此，豎傾式臺階的優勢極為顯著。豎傾式結構如圖2所示。

3.2 土工合成加固技術

在路基拓寬改造施工中，土工合成材料加固技術對于新舊路基的不均勻沉降控制優勢顯著。常用的土工合成加固技術主要為土工格柵材料。該技術原理是將被加固的土體視為各項異性的復合材料，復合材料同時受到拉應力和剪應力兩種，可以將格柵材料視為剛性材料，其加固性能優異。使用加筋材料進行加固的過程中，隨著鋪筑層位置的逐步降低，差異沉降作用的削減效應逐步提升。在土體相互摩擦力的作用下，可以為新舊路基土體提供較強的橫向約束力，以控制新舊路基的整體變形能力，新舊路基土體的整體性和剛度顯著提升，二者之間的不均勻沉降效應被顯著抑制。對于加寬部分路基，土工格室加筋時的水平位移小于不加筋時的位移,即土工格室加筋對防止路基水平位移有較為明顯的效果，有效抑制和減少了路基水平位移。

4 結語

既有高速公路的路基拓寬改造施工過程中，新舊路基的不均勻沉降是拓寬改造施工中的常見病害之一，銜接位置的不均勻沉降嚴重影響了路面的通行能力及行車平順性。文章以省內某高速公路路基拓寬改造項目為例，闡述了新舊路基不均勻沉降的影響因素、控制指標及應對策略，經施工項目應用后，沉降控制能力反饋良好。