陶吉訪

(廣西桂海高速公路有限公司,廣西 南寧 530022)

0 引言

近些年來,隨著我國交通工程建設(shè)的不斷推進(jìn),高速公路的總里程數(shù)迅速增加。但與此同時(shí),對(duì)于較早修建的高速公路,由于當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)水平以及技術(shù)限制,路寬或其他方面已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在的要求,因此需要考慮在原有高速公路的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)建。在此背景下,高速公路改擴(kuò)建技術(shù)得到快速發(fā)展。高速公路改擴(kuò)建主要是指為提高高速公路現(xiàn)有的技術(shù)等級(jí),對(duì)現(xiàn)有高速公路進(jìn)行大規(guī)模改造[1]。現(xiàn)有的高速公路改擴(kuò)建技術(shù)關(guān)鍵在于控制改擴(kuò)建之后高速公路的工程質(zhì)量,主要包括擴(kuò)建后路基的穩(wěn)定性以及路基的不均勻沉降等方面。路基的穩(wěn)定性是路基設(shè)計(jì)的基本要求,對(duì)于高速公路的改擴(kuò)建,關(guān)鍵在于對(duì)新老路基的連接處這一薄弱位置的穩(wěn)定性進(jìn)行控制。新老路基不均勻沉降也是導(dǎo)致改擴(kuò)建后高速公路出現(xiàn)質(zhì)量問題的重要因素,不均勻沉降會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中效應(yīng),導(dǎo)致路面裂縫的出現(xiàn)。目前國內(nèi)外學(xué)者在關(guān)于高速公路改擴(kuò)建技術(shù)的研究上已經(jīng)取得了較多成果。王海燕等[2]改進(jìn)了傳統(tǒng)的分層總和法,提出了基于路基自身壓縮這一理論的分層總和法,這一方法與有限元分析軟件得到的結(jié)果相近,且計(jì)算方法更為簡單。李默涵[3]研究了軟土路基加寬處理技術(shù),得到一種新的計(jì)算方法,可近似模擬加寬路基擴(kuò)寬部分的沉降。苗貴華[4]基于離心加載這一方法,通過數(shù)值計(jì)算模擬了高速公路改擴(kuò)建,得到在擴(kuò)建工程中新老路面交接位置更易開裂這一結(jié)論。畢海江等[5]基于實(shí)際高速公路改擴(kuò)建工程,采用開挖換填、加固擋土墻等多種工程措施,提高擴(kuò)寬后路基的整體穩(wěn)定性。本文對(duì)目前高速公路改擴(kuò)建工程可能遇到的問題以及已有的研究成果進(jìn)行總結(jié),對(duì)路基沉降進(jìn)行了研究,同時(shí)以柳州(鹿寨)至南寧高速公路改擴(kuò)建工程為例,研究了高速公路新老路基連接處的處理技術(shù),以期為高速公路改擴(kuò)建技術(shù)的進(jìn)一步深入研究提供借鑒。

1 高速公路改擴(kuò)建工程中路基不均勻沉降的原因分析及路基拼裝技術(shù)

1.1 路基不均勻沉降原因分析

在高速公路改擴(kuò)建工程中,新老路基的不均勻沉降是影響工程質(zhì)量最主要的因素之一,正確認(rèn)識(shí)其產(chǎn)生原因,計(jì)算不均勻沉降的大小,是控制新老路基不均勻沉降的前提。根據(jù)已有的研究,導(dǎo)致新老路基不均勻沉降的原因主要有三個(gè),即新老路基之間的自身變形差異,新老路基的基礎(chǔ)固結(jié)程度差異以及新老路基之間的結(jié)合強(qiáng)度不足。

1.1.1 新老路基的自身變形差異

在最初高速公路設(shè)計(jì)與修建過程中,大多未考慮后期可能進(jìn)行的高速公路改擴(kuò)建工程,因此在進(jìn)行新路基擴(kuò)寬時(shí)條件受限,新路基的填土壓實(shí)度往往達(dá)不到要求,導(dǎo)致在運(yùn)營過程中產(chǎn)生較大變形。而對(duì)于老路基來說,因其長期承受自重以及車輛荷載,變形相對(duì)于新路基非常小,新老路基之間的自身變形差異就會(huì)導(dǎo)致路基整體發(fā)生不均勻沉降。

1.1.2 新老路基的固結(jié)和沉降差異

當(dāng)路基土為軟土?xí)r,老路基的固結(jié)度比新路基高很多,新路基的擴(kuò)寬會(huì)產(chǎn)生新的附加應(yīng)力,導(dǎo)致新路基的沉降比老路基大很多,從而產(chǎn)生路基的不均勻沉降。

1.1.3 擴(kuò)建路基結(jié)合強(qiáng)度不足

新路基與老路基的物理力學(xué)性質(zhì)不一致,當(dāng)二者共同受力時(shí)會(huì)發(fā)生變形不協(xié)調(diào),當(dāng)新老路基交接處的結(jié)合強(qiáng)度不足時(shí),新路基就會(huì)沿接觸面發(fā)生下滑,導(dǎo)致路基的不均勻沉降,甚至發(fā)生路基整體的破壞。

1.2 路基拼裝技術(shù)

高速公路改擴(kuò)建工程中最易出現(xiàn)的問題就是新老路基之間的不均勻沉降使新老路基接觸位置發(fā)生應(yīng)力集中和錯(cuò)位,導(dǎo)致路基破壞。因此處理好新老路基之間的接觸位置是決定工程質(zhì)量的重中之重。目前針對(duì)這一問題能夠采取的措施主要有以下三種:

(1)清表,即在擴(kuò)建之前,將老路基的表層土挖除30 cm。

(2)填筑新路基之前在老路基上面挖臺(tái)階以增大新老路基之間的接觸,保證其具有更好的整體性。

(3)鋪設(shè)土工格柵,加強(qiáng)新老路基之間的連接,使其荷載分布更加均勻,提高路基的整體性。

2 高速公路改擴(kuò)建技術(shù)在實(shí)際工程中的應(yīng)用

2.1 工程概況

柳州(鹿寨)至南寧高速公路改擴(kuò)建工程起訖樁號(hào)為K1220+675～K1469+300,全線改擴(kuò)建里程為248.698 km,共設(shè)互通式立交15處,服務(wù)區(qū)6處、停車區(qū)3處、特大橋3座。初步設(shè)計(jì)批復(fù)概算為200.3億元,全線采用八車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)改擴(kuò)建。其中起點(diǎn)至靜蘭段40.144 km,設(shè)計(jì)速度為100 km/h,路基拓寬至41 m;靜蘭至終點(diǎn)段208.554 km,設(shè)計(jì)速度為120 km/h,兩側(cè)拼寬及新建路段路基寬度為42 m,單側(cè)分離加寬段新建路基寬度為20.75 m。新建橋涵設(shè)計(jì)汽車荷載采用公路-Ⅰ級(jí),其他技術(shù)指標(biāo)按《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01-2003)執(zhí)行。本文重點(diǎn)研究該項(xiàng)目中路基擴(kuò)寬技術(shù)。

2.2 擴(kuò)寬路基的壓實(shí)

2.2.1 路基壓實(shí)

路基壓實(shí)是保證路基正常工作的重要基礎(chǔ),路塹、路堤以及基底都需要進(jìn)行壓實(shí),其主要目的是減小孔隙比,提高路基土體的密實(shí)度,增加粘聚力,減小路基的沉降。路基的壓實(shí)本質(zhì)上是破壞土體原有結(jié)構(gòu),使土顆粒重新排列分布,達(dá)到一種更加密實(shí)的新的平衡狀態(tài)。此時(shí)土體強(qiáng)度得到了很大提高,也大大減小了路基服役期間的沉降量。

2.2.2 碾壓機(jī)具和方法

路基壓實(shí)采用的機(jī)械主要分為夯實(shí)型和振動(dòng)型,其中夯實(shí)式的設(shè)備對(duì)路基進(jìn)行壓實(shí)的效果最好。隨著壓實(shí)時(shí)間的增加,土體密度越高,一般通過機(jī)械對(duì)路基進(jìn)行碾壓6次以內(nèi)時(shí),隨著碾壓次數(shù)的增大,土體密實(shí)度明顯增大;6～10次時(shí),密實(shí)度增大速率明顯下降;超過10次后,隨著碾壓次數(shù)的增加,土體密實(shí)度基本不再增長。同時(shí),還要注意壓實(shí)的限度,過度壓實(shí)可能會(huì)導(dǎo)致土體發(fā)生剪切破壞。

2.3 新老路基聯(lián)合工作狀態(tài)的數(shù)值模擬分析

本文通過ABAQUS有限元分析軟件建立數(shù)值模型,假設(shè)土體材料為各向同性、連續(xù)均勻的彈塑性介質(zhì),本構(gòu)模型選取線彈性模型和摩爾-庫侖模型[6],使模型先在自重條件下實(shí)現(xiàn)地應(yīng)力平衡,再對(duì)其施加與車輛荷載等效的均布靜載和振動(dòng)荷載,監(jiān)測路基的變形情況。數(shù)值模型如圖1所示。

圖1 擴(kuò)建后的路基數(shù)值模型示意圖

對(duì)新老路基的豎向位移和水平位移進(jìn)行監(jiān)測,得到了沿路基表面方向和沿路基的豎向位移分布曲線,如圖2和圖3所示。

圖2 路基表面沉降變化曲線圖

如圖2所示,在施加車輛荷載后,由于新老路基的材料差異,其變形模量也存在較大差異。老路基的沉降值變化較小,變化范圍基本在0.25～0.60 cm浮動(dòng),但新路基部分沉降明顯,基本在0.80～1.20 cm,且新老路基接觸位置為沉降值變化的拐點(diǎn),在新路基的路肩處沉降量略有減小。

分別監(jiān)測了新老路基中心線位置不同深度處的沉降量,如圖3所示。

圖3 路基深度方向沉降變化曲線圖

如圖3所示,路基在不同深度的沉降曲線大致沿線性分布。其中,沉降量的最大值出現(xiàn)在路基表面位置,隨著深度變大,沉降值逐漸減小。在相同深度處,新路基的沉降值均大于老路基,但隨著深度不斷增加,二者的沉降差逐漸減小。同時(shí),從二者曲線斜率也可以看出,新路基的沉降要比老路基明顯很多。

計(jì)算得到了沿路基表面方向和沿新路基邊坡高度的水平位移分布曲線,如圖4和圖5所示。

圖4 路基表面水平位移曲線圖

如圖4所示,沿路基表面的水平位移曲線大致呈“倒鉤”狀。在老路基部分,水平位移近似線性增加,在新老路基接觸位置達(dá)到水平位移最大值,約為0.38 cm,在新路基處水平位移開始減小,當(dāng)?shù)竭_(dá)新路基路肩位置,水平位移減小至0.1 cm。

圖5 新路基邊坡水平位移曲線圖

如圖5所示,監(jiān)測了沿新路基邊坡不同高度處的水平位移量,水平位移沿新路基邊坡高度先增大后減小,且上下水平位移基本呈現(xiàn)對(duì)稱分布,當(dāng)距離路面2.5 m位置時(shí),水平位移達(dá)到最大值,約為0.4 cm。因此,在進(jìn)行路基擴(kuò)寬工程時(shí),要特別注意邊坡坡腰處的加固,減小其水平變形。

3 結(jié)語

本文對(duì)目前高速公路改擴(kuò)建工程可能遇到的問題以及已有的研究成果進(jìn)行了總結(jié),對(duì)路基沉降進(jìn)行了研究,同時(shí)以柳州(鹿寨)至南寧高速公路改擴(kuò)建工程為例,研究了高速公路新老路基連接處的處理技術(shù),得到以下結(jié)論:

(1)高速公路改擴(kuò)建工程中最可能遇到的問題主要是新老路基不均勻沉降。導(dǎo)致新老路基不均勻沉降的原因主要有三個(gè),即新老路基之間的自身變形差異、新老路基的基礎(chǔ)固結(jié)程度差異以及新老路基之間的結(jié)合強(qiáng)度不足。

(2)處理新老路基接觸位置的措施主要有三種:清表;填筑新路基之前在老路基上面挖臺(tái)階以增大新老路基之間的接觸;鋪設(shè)土工格柵,加強(qiáng)新老路基之間的連接,提高路基的整體性。

(3)在施加車輛荷載后,老路基的沉降值變化較小,但新路基部分沉降明顯,且新老路基接觸位置為沉降值變化的拐點(diǎn)。路基在不同深度的沉降曲線大致沿線性分布,沉降量的最大值出現(xiàn)在路基表面位置,隨著深度變大,沉降值逐漸減小。在相同深度處,新路基的沉降值均大于老路基,但隨著深度不斷增加,二者的沉降差逐漸減小。

(4)沿路基表面的水平位移曲線大致呈“倒鉤”狀,在老路基部分,水平位移近似線性增加,在新老路基接觸位置達(dá)到水平位移最大值,在新路基處水平位移開始減小。水平位移沿新路基邊坡高度先增大后減小,且上下水平位移基本呈現(xiàn)對(duì)稱分布,在進(jìn)行路基擴(kuò)寬工程時(shí),要特別注意邊坡坡腰處的加固。