黨振安

（甘肅第七建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 高速公路改擴(kuò)建的背景和意義

我國(guó)高速公路建設(shè)，依托國(guó)家頂層的政策及行業(yè)務(wù)實(shí)的發(fā)展戰(zhàn)略，在廣袤的國(guó)土上，建立起了橫貫東西、縱深南北、遙遙領(lǐng)先世界的高速公路網(wǎng)，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展及各種元素溝通交流提供了最為暢通的渠道。但是，備受成績(jī)鼓舞的同時(shí)，也應(yīng)正視部分已建成高速公路與時(shí)代發(fā)展脫節(jié)的難題。早期建成的部分路網(wǎng)，因設(shè)計(jì)水平局限性，未能長(zhǎng)久地考慮到當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展、車(chē)輛保有數(shù)量劇增、生態(tài)環(huán)境保護(hù)以及服務(wù)水平低下等問(wèn)題，導(dǎo)致其無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的交通需求。相比于新建高速公路，在盡量確保經(jīng)濟(jì)效益的前提下，對(duì)已有高速公路的改建、擴(kuò)建與升級(jí)加固，是不多占用土地資源、綠色環(huán)保最優(yōu)解決方案。

高速公路改建、擴(kuò)建以及升級(jí)加固，是一項(xiàng)依托于新時(shí)代高質(zhì)量發(fā)展背景下的綜合性強(qiáng)、復(fù)雜程度高的全新產(chǎn)業(yè)，其建設(shè)內(nèi)容可以涵蓋新標(biāo)準(zhǔn)與舊標(biāo)準(zhǔn)的覆蓋替代、新公路與舊公路的質(zhì)量銜接、新設(shè)施與舊設(shè)施的更新?lián)Q代，從中衍生出的新技術(shù)、新材料、新工藝、新設(shè)備，又可作為高速公路建設(shè)行業(yè)全新的領(lǐng)域，對(duì)于行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展及人力資源的利用都具有十分重要的意義。通過(guò)原有高速公路的改建、擴(kuò)建及升級(jí)加固，將原有車(chē)道升級(jí)為匹配日益增長(zhǎng)需求的拓寬車(chē)道，提高高速公路路面質(zhì)量，提升高速公路服務(wù)能力，擴(kuò)充車(chē)流通行能力，依托5G信息技術(shù)的發(fā)展，全面提升高速公路綠色運(yùn)輸、智慧管理的需求。

2 高速公路改擴(kuò)建時(shí)基層不均勻沉降現(xiàn)象研究

高速公路在國(guó)民經(jīng)濟(jì)的建設(shè)與發(fā)展中占據(jù)牢固的地位，高速公路網(wǎng)的全面串通建設(shè)，是聯(lián)動(dòng)各個(gè)不同地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵所在。伴隨公路行業(yè)在新時(shí)代下全新的發(fā)展機(jī)遇，高速公路上的車(chē)流量呈逐年遞增狀態(tài)，這就導(dǎo)致部分的高速公路無(wú)法滿足未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，基于上述原因，大段里程高速公路需要改擴(kuò)建。區(qū)別于新建的高速公路，高速公路的改擴(kuò)建工程在技術(shù)方面而言，也是十分不易，且在建設(shè)過(guò)程中，路基結(jié)構(gòu)的改擴(kuò)建就顯得尤為重要，施工階段要充分考慮并且避免因新舊路基之間施工產(chǎn)生的不均勻沉降問(wèn)題，保證高速公路改擴(kuò)建的施工質(zhì)量[1]。

針對(duì)高速公路在改擴(kuò)建階段出現(xiàn)的基層不均勻沉降等問(wèn)題，國(guó)內(nèi)部分高校及研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)在相關(guān)方面開(kāi)展了非常多的研究，研究結(jié)果涵蓋高速公路基層防水、路基拼接結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、不均勻沉降發(fā)生機(jī)理、解決基層沉降的主要技術(shù)等關(guān)鍵性問(wèn)題。理論研究結(jié)果顯示，高速公路在改擴(kuò)建階段因發(fā)生的基層沉降而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定現(xiàn)象主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 高速公路改擴(kuò)建新老基層連接失穩(wěn)

高速公路在改擴(kuò)建階段，由于設(shè)計(jì)、施工、材料、工藝、地質(zhì)等因素的影響，老基層無(wú)法與新基層產(chǎn)生很好的銜接，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不穩(wěn)，從而產(chǎn)生路基滑移以及坍塌現(xiàn)象的發(fā)生。且在復(fù)雜地質(zhì)條件路段，高速公路改擴(kuò)建時(shí)常見(jiàn)的病害會(huì)因地基土軟弱、大跨度位面、大高差斷面等因素，產(chǎn)生不同的結(jié)構(gòu)變形裂縫及基層滑移量，對(duì)高速公路整體的強(qiáng)度及安全性能是個(gè)極大的考驗(yàn)，上述問(wèn)題如果不能得到很好的解決，始終是制約高速公路發(fā)展的一項(xiàng)瓶頸問(wèn)題。

2.2 高速公路改擴(kuò)建基層不均勻沉降產(chǎn)生的路面損毀

高速公路改擴(kuò)建施工完成以后，常見(jiàn)因新舊基層結(jié)合之后不均勻沉降產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)層斷裂，進(jìn)而影響到路面的結(jié)構(gòu)層及使用性能。當(dāng)路面材料為水泥路面時(shí)，常見(jiàn)的病害多為基層結(jié)合部位的裂縫，以及影響到路面板塊的裂縫。當(dāng)路面材料為瀝青路面時(shí)，常見(jiàn)的病害多為新老基層連接處填料的松動(dòng)，以及基層結(jié)合面的碎裂及路面板塊的斷裂。高速公路改擴(kuò)建時(shí)基層不均勻沉降導(dǎo)致的基層及路面裂縫，如遇降水，水會(huì)沿裂縫下滲，破壞路基與地基，導(dǎo)致路面承載能力及強(qiáng)度出現(xiàn)不可挽救的下降，如遇寒冷天氣，還會(huì)產(chǎn)生凍脹現(xiàn)象。上述因改擴(kuò)建產(chǎn)生的病害，都會(huì)造成路面結(jié)構(gòu)的損傷，致使高速公路在改擴(kuò)建之后反而會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，承載力下降，危及行車(chē)安全的種種隱患。

2.3 高速公路改擴(kuò)建基層受力不匹配而產(chǎn)生的離析

高速公路路面結(jié)構(gòu)的基層，因其材料性能及力學(xué)性能的不同，可以分為柔性基層、半剛性基層以及剛性基層3大類(lèi)[2]。柔性基層通常有被稱(chēng)為大粒徑透水性瀝青混合料，施工人員習(xí)慣將它稱(chēng)之為“大黑碎”。柔性基層整體的性能體現(xiàn)為具有良好的透水性，但因其組成材料的特殊性，導(dǎo)致柔性基層會(huì)在烈日暴曬、車(chē)輛自重等作用下產(chǎn)生微弱的局部變形，導(dǎo)致路面上形成難以消除的車(chē)轍印記，長(zhǎng)久以往，路面的車(chē)轍印記與基層的不均勻沉降的變形產(chǎn)生累積，從視覺(jué)效果上加大了高速公路整體的變形。因此，要減小基層受力不匹配而產(chǎn)生的離析，就要控制高速公路路面基層的設(shè)計(jì)選用，控制其整體的變形程度。而對(duì)于半剛性基層和剛性基層來(lái)講，由于其自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，不會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似柔性基層不可恢復(fù)的變形，也正因如此，半剛性基層及剛性基層作為改擴(kuò)建時(shí)的新基層，會(huì)與原有道路的基層發(fā)生無(wú)法貼合的脫空現(xiàn)象，導(dǎo)致基層底部的受拉應(yīng)力增大，引發(fā)基層斷裂的現(xiàn)象發(fā)生。

3 高速公路改擴(kuò)建基層沉降計(jì)算分析

3.1 高速公路改擴(kuò)建基層沉降理論分析法研究

現(xiàn)階段有關(guān)基層不均勻沉降的理論研究多為預(yù)測(cè)計(jì)算，主要可以概括為以下2個(gè)方面，一方面是選用大量的現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用計(jì)算機(jī)構(gòu)建模型，代入工程建設(shè)參數(shù)進(jìn)行較為復(fù)雜的計(jì)算；另一方面則是利用理論的基層沉降數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析與比對(duì)，依托于實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)理論計(jì)算進(jìn)行修正處理，從而得到更為精確的計(jì)算方式，但缺點(diǎn)是不具有代表性。上述方法經(jīng)常出現(xiàn)在理論計(jì)算中，但是實(shí)際應(yīng)用時(shí)，仍需要面對(duì)許多不可忽略的問(wèn)題，譬如：土體材料的不穩(wěn)定性，因其很容易受外界水、壓力、地質(zhì)氣候等外界條件的影響，代入已有的土體參數(shù)進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算，最終得出的結(jié)果可能會(huì)存在著較大的誤差。

3.2 常見(jiàn)的分層沉降法計(jì)算

以模擬的一段高速公路改擴(kuò)建工程為基礎(chǔ)進(jìn)行理論計(jì)算，同時(shí)要考慮基層受到的路面車(chē)輛荷載以及高速公路在基層上部的自身重量荷載，也要考慮到基層自身的沉降與變形，理論表明，土體壓力小于某一個(gè)數(shù)值時(shí)，土體粒徑之間的壓縮量及孔隙水的擠壓量可以忽略不計(jì)，因此，本計(jì)算不考慮土體受其他因素的影響，僅以承受荷載及自然沉降對(duì)改擴(kuò)建階段的沉降量進(jìn)行一個(gè)理論上的計(jì)算。

首先我們假設(shè)，這段高速公路土層已經(jīng)在壓力P1的作用下趨于壓實(shí)狀態(tài)，土層高度為H，土顆粒總體積為Vs，孔隙比為E1，可以得出該土層孔隙體積Vv=E1Vs，總體積則為V1=Vv+Vs=（1+E1）Vs。我們?cè)俅渭僭O(shè)，將土層的壓力P1增加為P2=P1+ΔP，在壓力P2狀態(tài)下的穩(wěn)定土體高度為H1，這時(shí)的土體孔隙比為E2，則該土體在這一階段產(chǎn)生的壓縮量可以為S=H1-H，孔隙體積變化為E2Vs，總體積則為V2=Vv+Vs=（1+E2）Vs，于是可以計(jì)算得出，由于壓力的增長(zhǎng)，土體的單位體積變化為：

計(jì)算過(guò)程中，不考慮其他力的作用，并假設(shè)壓縮前后土體的截面面積A保持不變，則可以計(jì)算出單位體積下，土體模型體積變化量為：

根據(jù)以上計(jì)算，可以得出，土體的壓縮量S可以計(jì)算為：

若采取分層總和的思路，將改擴(kuò)建的基層總壓縮量分為M個(gè)階段，假設(shè)第n個(gè)階段的壓縮量為Sn，且基層沉降總量S可以視為各階段沉降量的總和，則可以計(jì)算為：

由上述理論計(jì)算可以看出，分層總和的計(jì)算方式只是考慮了基層最為基礎(chǔ)的豎向沉降，沒(méi)有添加其他外力因素的干擾，也未考慮到土體由于承受荷載而產(chǎn)生的橫向變形。在實(shí)際建設(shè)過(guò)程中，需要改擴(kuò)建的高速路段條件都比較復(fù)雜，基層會(huì)在自重荷載的作用下，產(chǎn)生橫向變形，此時(shí)的基層沉降量需要輔以邊坡的力學(xué)穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，因此，計(jì)算時(shí)要綜合土壓力在橫向豎向的作用，完全考慮到基層沉降的影響因素，將數(shù)據(jù)得以修正，以達(dá)到最為精確的計(jì)算效果。

3.3 理論計(jì)算方法分析

高速公路改擴(kuò)建后的基層沉降量的計(jì)算有很多種方式，但大都較為復(fù)雜，因?yàn)橐C合考慮的因素較多，或者計(jì)算要代入的參數(shù)較為多變且數(shù)量龐大，采用上述的分層計(jì)算方式可極大地使得計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)化，代入數(shù)據(jù)量小，在道路等級(jí)高且路況良好的高速公路上，可以采用上述方式對(duì)基層的沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)與計(jì)算，確保變形數(shù)值穩(wěn)定在合理可控的范圍之內(nèi)。

4 高速公路改擴(kuò)建基層沉降加固措施分析

4.1 基層回填材料的選用

改擴(kuò)建后的基層回填，必須要選用壓實(shí)度好、水穩(wěn)定性高、強(qiáng)度滿足規(guī)范要求的材料?；靥詈蠡鶎訌?qiáng)度依據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》中CBR值（指材料貫入量達(dá)2.5 mm或5 mm時(shí)，單位壓力對(duì)標(biāo)準(zhǔn)碎石壓入相同貫入量時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)荷載強(qiáng)度的比值）的要求及設(shè)計(jì)要求最終確定[3]，在保證經(jīng)濟(jì)條件的基礎(chǔ)上，較好的回填材料可降低基層不均勻沉降的變形。

4.2 設(shè)置土工格室

高速公路改擴(kuò)建施工時(shí)，可將土工格室運(yùn)用于墊層或邊坡結(jié)構(gòu)，以增加基層的承載力及穩(wěn)定性。土工格室因其材料的特殊性，施工時(shí)拉成網(wǎng)格狀，在網(wǎng)格內(nèi)可以填入因基坑開(kāi)挖而產(chǎn)生的泥土、碎石等無(wú)法用于回填的材料，能夠形成具備側(cè)向剛度的結(jié)構(gòu)體，且其可以用于濕陷性黃土、泥質(zhì)土等不同條件下的高速路建設(shè)。在高速公路的改擴(kuò)建施工中，新舊基層連接處，可以開(kāi)挖臺(tái)階，并在每層臺(tái)階上鋪設(shè)網(wǎng)格狀的土工格室，利用土工格室優(yōu)異的承載能力增強(qiáng)及荷載分散的特性，解決新舊基層不均勻沉降的病害。但是在對(duì)舊有道路進(jìn)行改擴(kuò)建時(shí)，設(shè)置的土工格室在每個(gè)臺(tái)階上均勻鋪設(shè)，從基層根部到路基邊坡，由于土工格室是依靠摩擦作用進(jìn)行工作，而摩擦面又是依據(jù)壓力與接觸面積進(jìn)行確定，所以如果是進(jìn)行了非對(duì)稱(chēng)設(shè)置的話，則有可能會(huì)出現(xiàn)受力不合理的狀況發(fā)生。

4.3 排水設(shè)施的布置

位于降雨多發(fā)地段或受地下水沖蝕的高速公路，在改擴(kuò)建過(guò)程中，務(wù)必結(jié)合原有的排水措施，對(duì)滿足改擴(kuò)建要求的高速公路使用年限，進(jìn)行排水設(shè)施的深化設(shè)計(jì)，保證其不會(huì)因降水未能及時(shí)排出，從而影響高速公路的路面強(qiáng)度及行車(chē)穩(wěn)定性能，引發(fā)新舊基層的加速不均勻沉降。實(shí)踐證明，高速公路排水設(shè)施優(yōu)化布置至關(guān)重要，關(guān)乎高速公路路面病害的養(yǎng)護(hù)劑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的安全要求。

4.4 控制路基壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)

高速公路改擴(kuò)建工程中基層壓實(shí)度的要求，需滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）的要求，在正常設(shè)計(jì)要求下的壓實(shí)方法之外，還可以采用大噸位沖擊碾壓及補(bǔ)夯的方法進(jìn)行基層壓實(shí)的處理，杜絕因基層壓實(shí)度不夠而產(chǎn)生的不均勻沉降。

4.5 注漿加固措施的應(yīng)用

基層發(fā)生沉降現(xiàn)象時(shí)，可依據(jù)沉降量的大小，對(duì)基層結(jié)構(gòu)實(shí)施注漿加固技術(shù)。注漿時(shí)，首先應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)病害產(chǎn)生部位進(jìn)行明確標(biāo)識(shí)，劃定范圍之后，對(duì)注漿孔位進(jìn)行定位放線，按設(shè)計(jì)規(guī)范要求對(duì)注漿的配合比進(jìn)行調(diào)配，滿足要求后進(jìn)行注漿工作。注漿要采用壓力設(shè)備進(jìn)行注射，充分依靠壓力的作用將水泥漿等材料灌入結(jié)構(gòu)，既要確保注射路徑都有漿液注滿并填充密實(shí)，也要確保漿液不能過(guò)多溢出，影響其他部位的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，導(dǎo)致發(fā)生道路起拱等危及行車(chē)安全的狀況發(fā)生。漿液通過(guò)注漿孔進(jìn)入加固結(jié)構(gòu)，對(duì)于小于注漿壓力的區(qū)域進(jìn)行填實(shí)，當(dāng)加固區(qū)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大于注漿壓力，則漿液通過(guò)泄?jié){孔流出，依靠液體的穿透能力，保證加固區(qū)域的加固成效[4]。

5 結(jié)語(yǔ)

高速公路改擴(kuò)建時(shí)常發(fā)生的基層沉降現(xiàn)象，一直是困擾從業(yè)人員施工與運(yùn)維的持久性問(wèn)題，本文針對(duì)在高速公路改擴(kuò)建階段發(fā)生的基層沉降現(xiàn)象進(jìn)行了分析，結(jié)合工程實(shí)際與理論規(guī)范研究，提出了一種可實(shí)施運(yùn)用的計(jì)算方式，以期在設(shè)計(jì)階段及施工階段，對(duì)基層的沉降量進(jìn)行一個(gè)大致的判斷，從而在技術(shù)層面進(jìn)行方案的制定與相關(guān)措施的研究，提升道路施工安全，降低可預(yù)估的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，基于文中新老基層沉降原因的分析，進(jìn)而有針對(duì)性地研究并提出其加固處理措施，在理論上為從事該產(chǎn)業(yè)鏈的相關(guān)人員帶來(lái)相應(yīng)的啟發(fā)與思考。