高速公路軟土路基加寬施工分析

吳 戰(zhàn)，劉若明，董玉林

(山東東泰工程咨詢有限公司，山東 淄博 255000)

1 引 言

我國第一條高速公路建于1978年，臺(tái)灣用8年時(shí)間建成的基隆至高雄(鳳山)高速，為紀(jì)念孫中山先生，也稱為“中山高速”。自此，京津唐高速、遼寧高速、滬嘉高速、連霍高速等發(fā)展迅速，截至2018年12月28日的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示我國的高速公路里程已經(jīng)是世界首位。但即使是這樣，許多高速公路的通行能力依然不能滿足人民群眾的出行需要，這一方面是因?yàn)榻?jīng)濟(jì)發(fā)展速度過快，汽車保有量過大，另一方面是高速公路在設(shè)計(jì)時(shí)受到了經(jīng)濟(jì)和認(rèn)識(shí)環(huán)境的條件限制。因此，提升公路的通行能力勢在必行，這是毋庸置疑的。路基加寬作為一種經(jīng)濟(jì)性高，占地少，許多發(fā)達(dá)國家也都采用這種方式對(duì)道路進(jìn)行擴(kuò)建升級(jí)。

路基加寬最早在我國的應(yīng)用是在1987年對(duì)廣佛高速公路進(jìn)行改擴(kuò)建工程施工，在此之后，其他高速也展開了加寬施工，如沈大、滬杭等高速。路基加寬過程中可能發(fā)生工程病害，主要是差異沉降和整體穩(wěn)定問題。差異沉降問題主要是新路基填筑使得老路基產(chǎn)生附加變形，且老路基變形基本已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定，新路基變形較大，差異沉降進(jìn)一步會(huì)引發(fā)公路的路面層產(chǎn)生裂縫，影響高速公路通行安全。整體穩(wěn)定問題主要是在新老路基結(jié)合面可能由于施工時(shí)無法使新老路基結(jié)合良好，導(dǎo)致整體性較差從而發(fā)生滑移破壞[1]。軟土本身承載力低，壓縮性高，高速公路加寬工程這兩類問題在軟土路基下發(fā)生的可能性更大[2]。因此，對(duì)高速公路加寬工程中的病害產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行研究，提出相適應(yīng)的施工技術(shù)進(jìn)行處理對(duì)保證軟土地區(qū)高速公路加寬工程質(zhì)量有重要意義。圖1為廣佛高速公路施工現(xiàn)場。

圖1 廣佛高速公路施工現(xiàn)場

2 高速公路加寬現(xiàn)狀

我國很長一段時(shí)間內(nèi)修建的高速公路都是四車道或六車道，老路加寬經(jīng)過工程論證和研究證明了其優(yōu)越性。單側(cè)加寬、雙側(cè)加寬、分離式加寬、混合加寬等四種方式是常用的加寬方式，表1歸納總結(jié)了我國幾條主要高速的加寬方案。

表1 高速公路加寬方案

3 高速公路路基加寬工程病害

3.1 縱向裂縫

在軟土地區(qū)進(jìn)行路基加寬工程中，縱向裂縫是一種較為常見的工程病害，路面層的裂縫產(chǎn)生是由于更深層的差異沉降造成，其原因主要從兩個(gè)方面進(jìn)行分析，一方面，老路基修建完成時(shí)間較長，在荷載作用下變形已經(jīng)基本完成，而新路基由于填料的壓縮性質(zhì)存在區(qū)別，導(dǎo)致新老路基的沉降速度存在差異，新老路基間的不均勻沉降不斷發(fā)展，逐漸影響到路面層，使其產(chǎn)生裂縫。另一方面，新老路基的密度不符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合處的施工工藝無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)水平，老路基在受到新填筑路基施加的附加應(yīng)力作用下會(huì)產(chǎn)生附加變形，新老路基下沉變形的差異最終導(dǎo)致路面開裂。圖2為縱向裂縫[3]。

圖2 縱向裂縫

3.2 路基失穩(wěn)

路基加寬工程中新老路基的結(jié)合不完整極易引起新老路基在結(jié)合面發(fā)生滑移破壞，這是由于軟土本身性質(zhì)決定的，新老路基間易產(chǎn)生差異沉降，使得路面產(chǎn)生裂縫，外界水體侵入裂縫中會(huì)使得新老路基結(jié)合面上的摩擦力減小，土體在水作用下強(qiáng)度變小，大大降低路基的穩(wěn)定性，發(fā)生滑動(dòng)破壞的可能性大[4]。

4 高速公路軟土路基加寬原則

嚴(yán)格控制新增路基對(duì)既有路基形成的附加應(yīng)力，盡量將新增附加應(yīng)力導(dǎo)致既有公路的重新固結(jié)沉降控制到允許范圍。新增路堤對(duì)既有路基的附加應(yīng)力控制[5]，應(yīng)：

(1)對(duì)于淺層軟弱地基，盡量采用完全換填法進(jìn)行處治。對(duì)于軟弱地基不大于3 m的地段，為防止新建路段軟弱地基處治不到位發(fā)生沉降而牽引既有公路發(fā)生變形，故宜對(duì)軟弱地基進(jìn)行全部清除換填處治。

(2)盡量采用輕型材料進(jìn)行路堤加寬，如EPS、泡沫輕質(zhì)土等輕型材料。為盡量減小新增路堤對(duì)既有路基產(chǎn)生附加應(yīng)力，故采用輕型材料加寬時(shí)，宜對(duì)既有公路的路堤挖除不小于新增輕型材料重量的既有填料，或?qū)π略黾訉捖返滔虏康能浫醯鼗诔恍∮谛略鲚p型材料重量的軟弱地基，從而有消除新增路堤加寬帶來的外附加應(yīng)力，也就避免了既有公路的差異沉降或開裂。圖3為泡沫輕質(zhì)土用于路基加寬。

圖3 泡沫輕質(zhì)土用于路基加寬

(3)盡量采用剛性樁基進(jìn)行復(fù)合地基處理，尤其是對(duì)于既有公路采用塑料排水板、袋裝沙井、碎石樁等處治時(shí)，如果新增附加應(yīng)力過大將可能導(dǎo)致既有公路的軟弱地基發(fā)生再次固結(jié)沉降。再如采用半剛性的攪拌樁、旋噴樁等復(fù)合地基處治的既有公路軟弱地基，新增路堤加寬時(shí)宜盡量采用剛性CFG樁(水泥粉煤灰碎石樁)、素混凝土樁或管樁復(fù)合地基法進(jìn)行處治。從而有效控制新增路堤發(fā)生沉降牽引既有公路發(fā)生變形。圖4為采用碎石樁+碎石土處理加寬軟土路基。

圖4 碎石樁+碎石土處理加寬軟土路基

5 高速公路軟土路基加寬施工分析

軟土路基條件下，加寬工程中的常見工程病害發(fā)生概率大，對(duì)設(shè)計(jì)和施工的要求更高。高速公路加寬工程項(xiàng)目通常都受到工期、經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)場環(huán)境因素的限制，因此，要對(duì)其加寬施工過程做好過程把控和組織管理[6]。

5.1 軟土路基加寬施工總體思路

(1)新路基加寬前需要對(duì)老路基做好削坡處理，維持路基穩(wěn)定性。

(2)采用快速加固的施工方法，盡量縮短工期，減少限制通行所花費(fèi)的費(fèi)用。

(3)采用粉噴樁處理路基時(shí)，注意合理布置樁間距，兼顧質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)。

(4)注意防排水，加寬段基底有軟土層的可先對(duì)地層進(jìn)行排水固結(jié)。

(5)做好沉降監(jiān)控，控制填筑速率。

5.2 軟土路基加寬處治技術(shù)

新老路基結(jié)合處如何處治對(duì)加寬工程質(zhì)量至關(guān)重要，只有采用合適的處理方法才能讓新老路基結(jié)合緊密，形成整體，避免裂縫出現(xiàn)，從而引發(fā)路基失穩(wěn)破壞。對(duì)于如何加強(qiáng)新老路基的結(jié)合性能，不少學(xué)者進(jìn)行了加筋土方面的研究，從鋼筋到植物纖維，巖質(zhì)纖維等等，也有一些關(guān)于土工合成材料如土工格柵的研究，為工程實(shí)踐提供了很多優(yōu)異的思路[7]。

當(dāng)前，在高速公路加寬工程中，應(yīng)用最為廣泛的就是土工格柵材料，土工格柵通過格柵與土相互作用，兩者之間的摩擦使得結(jié)合處土體所受的法向壓力減小，也能有效抑制土體的側(cè)向變形，不僅可以增強(qiáng)路基承載力和抗剪強(qiáng)度，還可提高新老路基之間的整體性，對(duì)差異沉降的控制起到重要作用。此外，土工格柵具有彈性，在循環(huán)荷載作用下變形小。加寬工程中應(yīng)用土工格柵時(shí)通常是在開挖出臺(tái)階后，一半鋪設(shè)在原有路基，一半鋪設(shè)在新填筑的路基上，在軟土地區(qū)應(yīng)用時(shí)要注意增大格柵的用量，多采用輕質(zhì)填料，或?qū)下坊M(jìn)行加筋處理等。土工格柵的處理方式大致可以分為兩類。

(1)根據(jù)新路基填高設(shè)計(jì)一定坡度進(jìn)行老路基邊坡臺(tái)階式開挖，鋪設(shè)土工格柵前先鋪設(shè)一層土工布，使應(yīng)力均勻向下傳遞，土工格柵將新老路基兩部分連接起來，如此分層進(jìn)行新路基的填筑壓實(shí)。

(2)增大加寬部分邊坡坡度，施工時(shí)對(duì)老路基邊坡進(jìn)行內(nèi)傾式開挖，開挖至與地面齊平，每個(gè)臺(tái)階上方鋪設(shè)土工格柵。

5.3 軟土路基地基處理措施

軟土地區(qū)加寬工程不僅需要對(duì)上部新老路基結(jié)合處進(jìn)行拼接處理，其下部地基處理也十分重要，對(duì)變形控制有重要意義[8]。工程實(shí)踐中可以采用真空預(yù)壓法，超載預(yù)壓法、粉噴樁、旋噴樁等多種處理方法對(duì)軟土地基進(jìn)行處理，并可以通過合理調(diào)整樁間距和深度等方式進(jìn)行分段漸變式處理，較為合理地解決新老路基間的沉降差異問題。

5.4 軟土路基加寬施工措施

(1)邊坡削坡。根據(jù)現(xiàn)場路基邊坡的坡度選擇開挖方式，若坡度較陡，為確保路基穩(wěn)定性，可采用分次開挖，在選擇開挖坡度時(shí)，每次開挖坡度小于前一次開挖坡度。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)做好防護(hù)措施，每次開挖完成后做好復(fù)合地基處理。

(2)臺(tái)階開挖。開挖內(nèi)傾臺(tái)階，臺(tái)階數(shù)量決定了新老路基之間的接觸面積，對(duì)新老路基的結(jié)合效果影響較大，施工時(shí)應(yīng)盡量多開挖臺(tái)階。

(3)防水措施。老路基進(jìn)行邊坡開挖施工時(shí)，注意避免上部水體對(duì)其產(chǎn)生沖刷或者滲入邊坡，影響邊坡穩(wěn)定性，可在開挖的老路基頂面鋪設(shè)防水布或者設(shè)置防水帶。

(4)土工格柵的鋪設(shè)。在臺(tái)階面水平向鋪設(shè)土工格柵，鋪設(shè)時(shí)注意觀察土工格柵是否存在質(zhì)量問題，保證材料的完整性和連續(xù)性。堆放土工格柵時(shí)要堆放在陰涼干燥處，避免性能受到影響。軟基處理段與未處理段的交接處進(jìn)行土工格柵設(shè)置，且需要注意保證搭接長度，加強(qiáng)橫向整體聯(lián)系。

(5)路基填筑。應(yīng)盡量選擇與老路基填料的物理力學(xué)性質(zhì)接近的填料，控制好新老路基結(jié)合處的壓實(shí)度，可采用間隙法進(jìn)行路基填筑，由于第一次填筑使得新老路基間隙的強(qiáng)度和水平應(yīng)力得到了提高，因此可以有效地減小第二次填筑時(shí)這部分產(chǎn)生的附加變形，且分布填筑對(duì)原有路基影響較小。

6 結(jié) 語

高速公路軟土段進(jìn)行加寬施工時(shí)，新老路基結(jié)合處以及軟基處理等都要妥善做好處理，本文分析了路基加寬病害機(jī)理，對(duì)施工應(yīng)注意的技術(shù)要點(diǎn)和措施給出了工程建議，可為類似工程提供參考。