高速公路软基路段加宽设计探讨

王俊丽

0 引言

随着我国国民经济快速增长，城市与城市的沟通发展日趋繁荣、城市与乡镇的协作发展逐渐紧密，致使交通量与日俱增，以往的干线、国道、高速公路已不满足经济快速、可持续发展的需要，迫切需要构建“以高速公路为主、新干线为辅”的新型公路网。特别是随着近年来交通量的增大、货运车辆的重型化，国内多条已有的高速公路主干线的功能、服务水平下降显得尤为突出，这些高速公路原多为双向四车道，拥堵频繁，已不满足现阶段交通发展要求，对该部分高速公路的改扩建势在必行。而高速公路扩建是目前高速公路建设的难点之一，其制约因素众多，远较新建高速公路复杂，对其尚未形成统一的设计指标体系。而其中，软土路基的加宽设计又是其中的重点和难点，目前国内高速公路的改扩建实例为数不多，尚无成熟的技术与经验，扩建设计中存在不少的难题有待进一步的共同探讨研究。

1 项目概况

国道主干线广州绕城高速公路小塘—茅山段，位于广州市西北，与广三高速公路采用全互通立交相接，与广三高速公路相交路线里程K22+770～K25+260，长2.5 km，广三高速公路于 1996年建成通车，路基宽度24.5 m、双向四车道，设计速度100 km/h，现广三高速公路拟扩建为双向八车道，路基宽度为41 m，因此该部分加宽与西二环高速同期实施，采用两侧加宽的方式，半幅加宽宽度为8.25 m。

由于该路段处于珠江三角洲微丘区，沿线鱼塘密布，软基层厚5.2 m～9.6 m不等，天然含水量为42%～118%，天然孔隙比为1.03～3.2，此处填土高度平均为5 m左右，广三高速公路原设计地基处理采用排水固结法，为确保加宽后该段路堤的稳定性和工后沉降满足要求，防止不均匀沉降造成的影响，须采取有效的软基处理方法进行处理。

2 加宽设计

2.1 加宽处治方式选择

表1 各种桩的优缺点比较

由于广三高速公路原设计地基处理采用排水固结法处理，加宽路段不适宜采用排水固结法进行处理，给出排水通道，减小了孔隙水压力，但增大了不均匀沉降，这样会造成新老路的差异沉降大，因此选取复合地基法较合理，现在常用的复合地基法采用水泥搅拌桩、预应力管桩和素混凝土桩，其优缺点比较见表1。

项目所在区域地质情况变化较大，软基较深，并且工期较紧，采用预应力管桩处理较为合理。

2.2 路基拼接

在老路坡面开挖时，采取一定的支护措施，将边坡调整为1∶0.5，再开挖台阶，调整新老路基拼接部位的应力状态，保证新旧路基的良好衔接，避免或减少横向错台和纵向裂缝的发生，填筑加宽路基前在原路基边坡上开挖台阶(向内倾斜4%)，同时自下而上，开挖一阶及时填筑一级，台阶开挖尺寸100 cm×66 cm，以加强新老路堤的连接，具体见图1。

拼接路基要注意填料选择和填料控制，为减少新填路基的压缩变形，在施工条件允许的前提下适当提高压实度标准。并且利用土工材料增强连接，协调土体变形，避免纵向裂缝的产生;在新老路基的填筑上应用土工材料能有效地增强老路基与拼接路基土体间的连接性，限制和协调土体的变形，均化荷载，提高拼接路基的抗剪强度，增强拼接路基的整体性。土工合成材料采用强度适中的土工格栅，基底开始铺设一层土工格栅，以后每隔一个台阶顶面均铺设一层土工格栅。管桩的实施应布置在开挖坡角处，并逐排向外进行，间隔施工。

3 预应力管桩设计计算

3.1 管桩结构计算

3.1.1 抗裂弯矩

管桩抗裂弯矩按以下公式计算:

其中，Mcr为抗裂弯矩，kN◦m;σpc为混凝土有效预压应力 ，MPa;ftk为管桩混凝土抗拉强度标准值，MPa;Wo为管桩换算截面积受拉边缘的弹性抵抗矩，mm3。

3.1.2 极限弯矩

管桩极限弯矩按式(2)计算:

其中，Mμ为管桩极限弯矩，kN◦m;A为管桩桩身横截面面积，mm2;Ap为预应力钢筋面积，mm2;r1，r2分别为管桩桩身环形截面内外半径，mm;Dp为预应力钢筋所在圆周直径，mm;α为受压区混凝土面积和全截面面积之比;α1为受拉区纵向预应力钢筋面积与全部预应力钢筋面积之比;fptk为预应力钢筋强度标准值，MPa;f′py为预应力钢筋的抗压强度设计值，MPa;fck为混凝土轴心抗压强度标准值，MPa。

3.1.3 管桩桩身结构竖向承载力计算

管桩桩身结构竖向承载力设计值按下式计算:

其中，Rp为管桩桩身结构竖向承载力设计值，kN;A为管桩桩身横截面面积，mm2;fc为混凝土轴心抗压强度设计值，MPa;φc为工作条件系数，计算取0.7。

在进行基础设计时桩身强度应符合下式要求:

其中，Q为相应于荷载效应基本组合时的单桩竖向力设计值，kN。

3.1.4 管桩桩身结构对应的单桩竖向承载力最大特征值

管桩桩身结构对应的单桩竖向承载力最大特征值按下式计算:

其中，Ra为管桩桩身结构对应的单桩竖向承载力最大特征值，kN。

3.1.5 管桩桩身受拉承载力设计值

管桩桩身受拉承载力设计值应符合下式要求:

其中，N为管桩桩身轴向拉力设计值，kN;fpy为预应力钢筋的抗拉强度设计值，MPa;Ap为预应力钢筋面积，mm2。

3.2 设计参数

设计参数见表2。

表2 设计参数

管桩桩顶设置4 mm厚钢板，其上设置一个100 cm×100 cm×35 cm的托板;管桩采用矩形布置，间距为 2 m～2.4 m，同时为增强桩体之间的联系，分担桩体应力，各桩的托板之间填筑55 cm厚的中粗砂作为垫层，顶面铺设一层土工格栅。

4 注意事项

1)合理选择桩锤，采用锤击法，打桩机宜选用三点支撑履带自行式柴油打桩机，不宜采用自由落锤打桩机。选用筒式柴油锤。

2)管桩接驳时，应采用法兰盘连接或采用焊接连接，焊接时，清除端面的杂物，应对称进行，焊接层数不少于两层，焊缝应饱满、连续，焊好的桩接头在自然冷却后才可继续施打，冷却时间不宜少于8 min，严禁用水冷却或焊好后立即施打。

3)打桩过程中，保证桩锤、桩帽、桩中心线一致，施工过程中倾斜率不得超过0.8%。

4)当托板顶填土高度小于50 cm时，严禁用大型压路机碾压。

5)收锤标准以到达的桩端持力层、最后贯入度为控制标准。正常情况下，最后贯入度按60 cm/10击控制。

6)加宽路基软土地基处理前应清表、平整场地。桩体施工由靠近开挖坡角侧逐排向外进行，管桩应间隔施工。

7)路堤填筑应分层进行，等载预压时间不少于6个月，沉降稳定后方可卸载进行路面施工。

5 结语

旧路路基加宽段软基段设计是项复杂的工作，每个项目都有其特殊性，从设计到施工，都须根据项目的具体情况，如旧路现状、旧路的软土路基处理方式、旧路现状的沉降状况等诸多方面考虑，还应避免对现状交通流造成影响，注意新、旧路基的结合等，因此在旧路加宽改造中需要投入比新建项目更多的精力，达到项目的安全、经济和合理性。

[1] 龚晓南.高速公路地基处理设计指南[M].北京:人民交通出版社，2005:12.

[2] 河海大学.交通土建软土地基工程手册[M].北京:人民交通出版社，2001:3.

[3] 黄始南.深圳市丹平快速路碎石桩处理软基的设计应用[J].广东公路交通，2009(2):58-59.

[4] 刘清高，李国新.桥头软基设计与施工的改进建议[J].水运工程，2005(7):31-32.

[5] 王春慧.高等级公路软基设计中的一些问题[J].河北建设工程学院学报，2003(1):43-44.

[6] 陈乃浪.论2种方法在软基设计施工中的注意事项[J].四川建材，2006(6):111-112.

[7] 何向宁，李慧勋.浅谈公路软土地基路基设计[J].山西建筑 ，2009 ，35(22):290-292.