吳西蒙

(中北工程設(shè)計咨詢有限公司杭州分公司，浙江 杭州 310018)

1 高速公路改擴建工程的病害機制分析及控制

1.1 高速公路的常用加寬方式

高速公路的拓寬方式主要可以分為三種：

(1) 完全拼接拓寬。這種拓寬方式是公路已經(jīng)處于運營狀態(tài)，其路基以及地基沉降相對較為穩(wěn)定，但是由于交通量的快速增長，原有的路基已經(jīng)不能不能滿足交通量的需求，為此在老路基的一側(cè)或者兩側(cè)進行削坡拓寬。該拓寬方式需要舊路重新鋪筑的只有面層，其他結(jié)構(gòu)層只有新路基進行鋪筑即可，這也就是新舊路基受力特點差異較大的原因，也就導致了對新路基之下的地基承載力改善情況以及拓寬材料的選擇有著較高的要[1]。

(2)不完全拼接拓寬。這種拓寬方式主要應(yīng)用于公路建設(shè)過程中的設(shè)計變更，與完全拼接相比其兩者直降的施工間隔較小，沉降差異也較小，但是該種形式在實際工程中應(yīng)用較少。

(3)分離式拓寬。指的是在老路一側(cè)或兩側(cè)相鄰或者相近的位置修建新車道，新舊車道設(shè)置的距離相對較遠，相互之間的影響也較小。該種形式經(jīng)常用于受地形限制的高速公路中[2]。

1.2 高速公路拓寬的常見病害

(1)拓寬路基失穩(wěn)。軟土地區(qū)開展高速公路的拓寬工程，在新舊路基的結(jié)合處容易出現(xiàn)拓寬部分的滑移，由于新老路基的沉降速率不同，進而導致在結(jié)合處出現(xiàn)應(yīng)力集中、突變的現(xiàn)象，最終導致了縱向裂縫的產(chǎn)生。此外拓寬的路基填土在自重的作用下逐漸出現(xiàn)側(cè)向位移與沉降，使得路基拓寬的部分沿著結(jié)合面出現(xiàn)橫向以及豎向的移動，進而在路面上出現(xiàn)裂縫，而雨水則會沿著裂縫向路基深處滲入，降低結(jié)合面處的強度，加速路面結(jié)構(gòu)的整體破壞坍塌。

(2)路面損傷及整體性能下降。擴寬路基出現(xiàn)橫向的不均勻沉降主要是由于新老地基的固結(jié)沉降狀態(tài)不同以及加寬路基性能的變化，進而導致路面出現(xiàn)縱向裂縫、板塊斷裂、局部沉陷、路面狀況指數(shù)以及結(jié)構(gòu)承載力下降。

1.3 拓寬路基病害機制研究

高速公路拓寬路基病害產(chǎn)生原因歸納起來可以分為兩個方面，分別為穩(wěn)定性和變形。

(1)穩(wěn)定性不足。穩(wěn)定性的問題一方面表現(xiàn)在拓寬路基填料自身的穩(wěn)定性不足，在荷載以及水的影響下就會失穩(wěn)破壞。另外一方面就是在地基之下存在著軟弱的下臥層，比如軟土的性質(zhì)特殊，流變性顯著、壓縮系數(shù)大，在結(jié)合面處極易產(chǎn)生滑動變形[3]。此外還存在著強度不足的問題，其中主要原因是新老路基結(jié)合處沒有進行相關(guān)的處理，或者施工的工藝沒能達到相應(yīng)的標準、未能做排水設(shè)施，進而導致水分滲入路基內(nèi)部，降低了路基的穩(wěn)定性以及強度，加速路基失穩(wěn)破壞。

(2)變形不協(xié)調(diào)。路基的變形不協(xié)調(diào)體現(xiàn)在道路上即為道路的不均勻沉降，導致不均勻沉降的主要因素有壓實度不足、填料選擇不合理等。此外，老舊路基經(jīng)過長時間的荷載作用，其沉降固結(jié)已經(jīng)基本完成，而新拓寬的路基，由于其前期的固結(jié)沉降量比較小，突然施加荷載之后，就會出現(xiàn)較大的次固結(jié)沉降，如果對填土沒有進行充足的壓實，就會導致新老路基之間出現(xiàn)較為明顯的沉降差。

1.4 新老路基不協(xié)調(diào)變形的控制技術(shù)

對于拓寬路基的不均勻沉降需要通過采取措施來確保軟基路段的加寬質(zhì)量。其一可以加固軟土地基來提高地基的承載力，對于埋深較淺厚度較小的軟弱層，考慮通過換填并加鋪土工合成材料的手段；對于埋深較大或較厚的軟弱層，可以通過復合地基的形式來提高地基強度。其2可以提高填料質(zhì)量以及壓實度，進而改善拓寬路基的整體剛度，減小對軟土地基產(chǎn)生的附加應(yīng)力[4]。其三可以對新舊路基銜接處采取處理措施，使得新舊路基成為一個整體，主要的措施包括新老路基交界處挖設(shè)臺階、采用加筋技術(shù)，在新舊路基結(jié)合處鋪設(shè)土工格柵。其四則需要加強對排水設(shè)施的建設(shè)管理，確保新舊路基的結(jié)合面處不會有水分滯留。

2 泡沫輕質(zhì)土拓寬路基的機制研究

一般情況，高速公路在進行拓寬之前，在長時間的荷載作用下，路基自身的壓縮變形以及地基固結(jié)沉降已近基本完成，特別是對于軟土地基而言，其物理力學性能有了很大的改變，強度有顯著的提高。公路拓寬之后，新拓寬的路基會產(chǎn)生較大的工后沉降，導致新老路基之間出現(xiàn)不協(xié)調(diào)的變形，如果拓寬路基填料本身的壓縮變形較大，就會加劇新老路基的差異變形。

泡沫輕質(zhì)土具有輕質(zhì)性，這也就使得該土質(zhì)應(yīng)用于軟土路基在卸荷再加荷之后其總附加應(yīng)力依舊只是出于超固結(jié)狀態(tài)，換而言之，即能夠保證軟基的前期固結(jié)壓力大于軟基總荷載，減小新的壓縮變形。同時由于泡沫輕質(zhì)土具有良好的板體性與較大的壓縮模量，能夠使其顯著降低自身的壓縮變形，不會產(chǎn)生過大的工后沉降。此外相比于傳統(tǒng)填土材料，泡沫輕質(zhì)土的地基受力模式是有區(qū)別的。傳統(tǒng)的填土荷載屬于柔性基礎(chǔ)，地基變形通常為凹形分布，但泡沫輕質(zhì)土更類似于剛性基礎(chǔ)，其變形為均勻變形，可以將荷載均勻的分散至下層土基之上。

3 泡沫輕質(zhì)土拓寬路基變形特性分析

為了探究高速公路路基拓寬工程中新老路基的沉降以及受力特性，本節(jié)通過FLAC3D軟件進行數(shù)值模擬分析。在模擬過程中選用的計算參數(shù)見表1。

表1 實體單元計算參數(shù)

如圖1所示，分別為普通路基填料與泡沫輕質(zhì)混凝土填料的拓寬路基頂面沉降對比變化曲線，通過圖像可以看出，經(jīng)過拓寬的路基，越遠離中心線路基頂面的沉降也就會越大，在增大到一定的范圍之后，沉降就又會減小。不同的填料，其路基頂面的最大沉降也會有所不同，普通填料的最大沉降在擴寬路基的中心位置，而換做泡沫輕質(zhì)混凝土之后，最大沉降的位置向新老路基結(jié)合處移動。此外，通過曲線也能夠明顯看出泡沫輕質(zhì)混凝土填料能夠顯著降低路基頂面沉降。

圖1 拓寬路基頂面沉降

如圖2所示，為普通路基填料與泡沫輕質(zhì)混凝土填料的拓寬路基地基表面沉降的對比曲線，對比看出地基與路基表面的沉降規(guī)律大致相似，地基的大變形能夠直接影響路面也出現(xiàn)大沉降，使得路面出現(xiàn)拉應(yīng)力集中，一旦拉應(yīng)力超過了容許的拉應(yīng)力，路面就會出現(xiàn)拉裂破壞現(xiàn)象。在經(jīng)過多年的運營后，原有的路面強度會下降，在外部受力條件的影響下就會出現(xiàn)拉裂破壞。相比于普通的路基填料，泡沫混凝土無論是上臺量還是下沉量均較小。

圖2 地基表面沉降

如圖3所示，分別為普通路基填料與泡沫輕質(zhì)混凝土填料的拓寬路基地基表面的水平位移沿著深度變化的對比曲線。產(chǎn)生的側(cè)向位移越大，路基也就越容易下沉，地基土體就越容易側(cè)向擠出。對比發(fā)現(xiàn)，通過使用泡沫輕質(zhì)混凝土填筑路基能夠有效地減小側(cè)向位移量，再加上泡沫輕質(zhì)土自身較輕的特質(zhì)，降低了附加荷載，回縮與擠出的幅度也顯著減小，路基整體結(jié)構(gòu)改變幅度較小。

圖3 不同材料路堤的地基表面水平沉降

4 結(jié)束語

文章對高速公路拓寬工程的加寬方式以及常見病害進行了仔細的闡述，并提出病害的相應(yīng)解決措施，重點分析了泡沫輕質(zhì)土拓寬路基的機制，并通過數(shù)值模擬手段研究泡沫混凝土應(yīng)用于新老路基的沉降及受力特性，驗證了泡沫混凝土在路基擴寬中的優(yōu)勢。