高速公路路基拓寬結合位置致害機理及處治技術

李 彥 革

(山西路橋建設集團有限公司陽泉分公司,山西 陽泉 045000)

1 概述

進入21世紀以來，省內高速公路建設迎來井噴期，由于當時規(guī)劃設計能力、施工技術、交通量發(fā)展預測能力的不足，加之快速增長的交通運輸量和車輛荷載指標的影響，導致原修建高速公路的通行能力已經無法滿足省內現(xiàn)有的交通運輸需求。經調研可知，當前省內高速公路不大于四車道占比達50%以上，其中，有一大部分路段為雙向兩車道形式；由于新開工高速項目前期投入大、施工周期長、短期收益能力低，對既有高速公路進行拓寬改造成為一種性價比更高的處理方案。由于高速公路拓寬改造路基結合位置的受力情況復雜，容易出現(xiàn)的病害類型較多，當前適用的施工規(guī)范主要基于軟土路基拓寬施工工況，且拓寬改造過程中路基沉降檢測標準尚未建立具體的標準，導致路基拓寬改造施工過程中的主觀性較強。文章以省內某高速公路改擴建施工項目為研究案例，就路基拓寬改造過程中的主要病害致害機理進行了分析，并提出了針對性的處治措施，在項目中得到較為成功的應用。

2 公路路基拓寬結合位置致害機理分析

結合省內高速公路拓寬改造施工項目實際，基于高速公路拓寬改造的施工難度要總體大于新建高速公路項目；高速公路病害的致害機理絕大多數(shù)是由于受力原因導致，從受力方向及荷載類型角度可細分為以下幾方面。

2.1 水平力致害機理分析

尚不考慮地基土不均勻沉降的基礎上，拓寬改造路基結合位置在施工荷載的作用下，出現(xiàn)明顯的拉應力，且拉應力呈窄幅變化，在尚未通車的情況下，認為是在施工荷載、路基自重荷載的耦合作用下，拓寬路基位置出現(xiàn)不均勻沉降、壓縮形變，但原路基在長期荷載作用下變形和沉降基本完成，由于變形和沉降不協(xié)調，導致結合位置出現(xiàn)較大的拉應力，且拉應力最大值出現(xiàn)在結合位置的上表面。如果提前考慮地基土不均勻沉降因素，拓寬后路基的沉降變形則由自身壓實壓縮變形和地基沉降疊加組成，其沉降變形明顯增加，舊有路基的沉降變形主要是由于新填筑路基結合位置的應力影響，具體表現(xiàn)為附加變形，變形值較低，在舊有路基坡腳位置將出現(xiàn)不規(guī)則分布的拉伸區(qū)域，表現(xiàn)為拉應力。綜上，水平應力主要分布在新舊路基結合位置的上表面和既有路基的坡腳位置，也是造成拓寬改造路基不均勻沉降的主要原因之一。

2.2 豎向力致害機理分析

在不考慮地基土沉降的基礎上，拓寬改造路基的加寬部分在自重荷載、施工荷載的耦合作用下，導致新填筑路基的豎向荷載作用明顯，豎向應力集中分布在拓寬改造層的形心以下；如果考慮地基土沉降因素，受到明顯的路基土體沉降變形因素影響，豎向應力呈現(xiàn)出從形心附近向外擴張的趨勢，在應力值上也呈現(xiàn)出逐步降低的趨勢。據(jù)此判斷，伴隨壓應力的逐步增長，豎向壓應力呈現(xiàn)出先集中后向外擴散的趨勢，直至豎向壓應力和地基土體承載能力基本持平后，向外擴散趨勢基本完成，達到受力平衡狀態(tài)。

2.3 截面剪切力致害機理分析

除了橫向和豎向的拉壓應力作用外，在路基拓寬改造施工過程中，如果剪應力值增加到一定程度，直至大于新舊路基結合位置的抗剪強度值時，將引起路基結合位置出現(xiàn)明顯的相互錯臺病害，嚴重影響拓寬改造路基結構的整體性、承載能力及荷載穩(wěn)定性。如果不考慮地基土沉降因素影響，新填筑路基土體的剪應力值較低，基本可以忽略，如果考慮地基土沉降影響，由于新舊路基填筑位置對應的路基土體沉降差異值較大，最終表現(xiàn)為路基結構截面剪應力值突增，剪應力集中分布在截面中心附近。在拓寬改造施工過程中，由于剪應力造成的路基病害程度低于拉壓應力作用。綜上，在拓寬改造路基施工過程中，應著重關注拉壓應力引起的病害。

3 省內某高速改擴建項目路基拓寬結合位置病害處治技術

本工程項目為省內西縱高速北段連接線路基拓寬改造施工項目，高速公路連接線原有布置形式為雙向四車道，路基寬度為25 m，部分路段為26.5 m，為了適應交通量要求，擬對本標段進行拓寬改造施工，加快后路基為雙向六車道布置形式，路基寬度達到31.5 m，局部寬度達到33 m。現(xiàn)以本拓寬改造項目為案例，詳細論述了拓寬改造路基結合位置的主要病害處治技術。

3.1 提升路基結合位置的壓實度指標

提高路基結構的壓實度指標，能夠強化路基土體顆粒之間的相互嵌鎖能力，提升路基混合料碎石之間的內摩擦力，降低路基碎石之間的內部空隙，提高單位體積內路基混合料的密度值，以間接提高新舊路基結合位置的整體性和承載能力，由于路基壓實度指標較高，路基結合位置在后期車輛作用后的瞬時和長期累積變形值均較小。在本次拓寬改造施工中，以JTG D30公路路基設計規(guī)范(2015)為標準，拓寬改造路基壓實度指標以表1數(shù)據(jù)為選取依據(jù)。

表1 拓寬改造路基壓實度指標

3.2 敷設土工格柵加固設施

土工格柵加固技術在路基拓寬改造施工過程中的應用極其廣泛，土工格柵材料一般為聚丙烯、聚乙烯等高分子材料，通過熱加工技術將其編織為二維構型或者三維構型的網(wǎng)狀織布結構。圖1為本工程項目中使用到的土工格柵材料。

新舊路基結合位置的主要病害表現(xiàn)為結合位置的變形不協(xié)調和不均勻沉降，由于舊路基在長期的自重和上部荷載作用下，其變形已接近尾聲，新填筑路基變形較大，由于變形不協(xié)調，勢必在結合位置產生較大應力。在開挖完成的臺階上敷設土工格柵，土工格柵憑借各向受力特性能夠分擔由于變形不協(xié)調導致的各項拉壓應力，從而提升結合位置的整體性和變形協(xié)調性，最大程度約束局部不均勻沉降。

3.3 填筑臺階型路基結合斷面

為了提升新舊路基結合位置的相互銜接能力，提高二者協(xié)調變形的能力，新舊路基結合斷面應開挖成一定斜率的臺階型，臺階結構開挖的基本結構形式主要有以下兩種，即：對原有路基結構邊坡進行均勻削坡，并在削坡基礎上繼續(xù)開挖錯動臺階，削坡施工量應結合項目現(xiàn)場的地基土體承載能力確定；另一種先徹底清理原始路基邊坡上的浮塵，然后直接開挖臺階，路基結合位置臺階開挖可以細分為從上至下或者從下至上。結合本工程項目實際情況，路基土體的承載能力較高，擬選用自上而下的臺階開挖方式，且臺階削坡斜率比值為1∶1.5。具體開挖斷面詳如圖2所示。

結合本工程項目自身特點，單個臺階寬度值應控制在1 000 mm～15 000 mm范圍內，臺階高度取寬度的2/3為宜，且最大高度不宜大于1 600 mm。為了保證臺階相互咬合性能，臺階寬度應盡可能大，以最大程度增加新舊路基結合面的實際面積，防止臺階接觸面過小，引起的局部應力集中問題。此外，結合面臺階開挖應緊密結合施工項目實際情況，臺階開挖高度應以不影響臺階整體的穩(wěn)定性為基準，同時也防止由于開挖高度過大引起的挖方量增加。

4 結語

對既有高速公路進行拓寬改造成為一種性價比更高的處理方案，但由于高速公路拓寬改造路基結合位置的受力情況復雜，容易出現(xiàn)的病害類型較多，必須制定路基結合位置的病害處理方案，以實現(xiàn)新舊路基結合位置的協(xié)調工作。文章以省內某高速公路路基拓寬改造項目為研究案例，針對結合位置病害提出了相應的控制措施，經項目實踐檢驗，各措施的工程應用性良好，能夠推廣使用。