软基条件下高速公路路基拓宽工程施工控制技术研究

2017-10-29梁玉荣

山西交通科技 2017年4期

梁玉荣

（山西省公路局太原分局，山西太原 030012）

0 引言

在路基拓宽工程施工中，由于新旧路基施工工况不同，其均匀性、稳定性、强度均不同，尤其在软基条件下，若在施工过程中处理不当，极易造成不均匀沉降，导致路基在运营过程中产生纵向裂缝、翻浆等病害，严重威胁行车安全，造成社会资源浪费。

为此，国内外学者们针对高速公路路基拓宽施工技术已开展了大量而深入的研究工作，取得了一系列的科研成果。蒋洋[1]针对路基拓宽工程中新旧路基不均匀沉降的病害，利用数值模拟和室内模型手段分析其产生机理、变形规律，并有针对性地提出了处治方案；吕勇[2]结合叶信高速公路路基拓宽工程，提出了路基拓宽工程的设计原则，探讨了路基拓宽施工技术；嵇如龙[3]依托某软土地基路基拓宽工程案例，针对其不均匀沉降及路面开裂病害，深入分析其现场监测数据，提出处治方案；夏英志[4]结合郑漯高速路基拓宽工程案例，针对其施工病害，提出路基拓宽变形协调控制原则，深入分析了处治措施及效果。

本文依托某软基条件下高速公路路基拓宽工程，深入分析其工程特性，有针对性地制定“强夯法+增设土工格室或土工格栅”的施工控制技术，并利用有限元软件模拟分析其施工控制效果，其研究成果可为类似工程提供技术支撑。

1 工程概况

某高速公路为双向四车道，其原有路基填高8 m，路基顶面宽度为26 m，路基边坡坡率为1∶1.5。近年来随着国民经济的快速发展，该高速公路交通量剧增，实际交通量已远超设计交通量。根据交通规划，将原有四车道改建为双向八车道，原路基宽度26 m拓宽为42 m，设计时速由100 km/h改为120 km/h，从而减缓当前拥堵状况。

该路基工程地处中山丘陵地带，属于河谷堆积地貌，由于该工程位于嘉陵江流域，地表水系发育，地下水类型主要为基岩裂隙水、第四系松散堆积体孔隙水，其对路基工程影响较大。路基岩性以砂性泥岩为主，其以黏土矿物质为主，含有少量石英、钙泥质，呈薄层状构造，且其风化程度高，节理裂隙发育，岩体较为破碎，局部呈粉末状、碎块状，其具有脱水干裂、浸水软化的特性，属于典型的软弱地基，其具体情况如图1所示。

图1 路基拓宽施工现场情况

2 施工控制技术

为减小本项目路基拓宽工程中新拓宽路基部分的沉降量，减小或消除新旧路基的差异沉降，避免路基运营后产生裂缝、翻浆等病害，结合本项目的实际情况，经专家论证后，采用软弱地基换填砂砾石，并进行强夯处理，并增设土工格栅和土工格室。

2.1 强夯法

强夯法的基本原理在于其利用履带式起重机将夯锤起吊，夯锤通过自由落体将势能转换为动能。在夯锤下落过程中，势能不断转换为动能，当夯锤作用于路基土体时，动能大部分转换为压缩功，对路基土体产生压缩作用，其余一部分转换成声波，另一部分与土体摩擦产生热能。因此，通过强夯处理后，路基土体孔隙比大幅下降，压缩模量、承载力大幅提高，增加了新旧路基的均匀性，消除不均匀沉降。

图2 强夯施工现场情况

2.2 增设土工格室或土工格栅

为进一步增大新旧路基之间的横向连接，提高路基承载力，避免新旧路基的不均匀沉降，本项目在路基拓宽施工过程中，强夯完成后，增设土工格室或土工格栅，形成土体加筋体，当路基承受荷载时，加筋体共同受力，筋材与周围土体产生相对应变，进而产生相对摩擦，提高了路基的整体强度。

根据本项目的实际情况，在试验段K52+700—K53+200共计500 m加铺土工格室。该土工格室高度为100 mm，焊接间隔为（300×300）mm，其筋材厚度为1.2 mm，其具体情况如图3所示。在其施工过程中，应严格控制填料粒径，不得大于12 mm；严禁直接用运料车将填料倾倒入土工格室内，避免砸坏土工格室，应人工配合慢慢填筑；填筑高度超过土工格室高度10 cm后，再进行碾压夯实。

图3 土工格室现场铺设情况

由于土工格栅纵横向均具有较强的承载能力，结合本项目的实际情况，选取试验段K54+800—K55+600共计800 m加铺两层土工格栅。在强夯完成后铺设第一次土工格栅，并用“U”型钉将其固定在路基表面，回填砂砾石25 cm厚，分层碾压后，将露出部分（长度不小于30 cm）折回后用“U”型钉固定在该碾压层表面，然后铺设第二层土工格栅，依次类推，从而形成加筋体，其具体情况如图4、图5所示。

图4 土工格栅结构示意图

图5 土工格栅布设位置示意图

3 施工效果评价

为全面评价本项目所采用的施工技术对路基拓宽差异沉降的控制效果，采用数值模拟手段，分别模拟分析强夯（工况1）、强夯+增设土工格室（工况2）、强夯+增设土工格栅（工况3）3种工况下路基沉降情况。鉴于研究对象在几何上为中心对称结构，因此只取右半幅路基进行模拟分析[5]。在本模型中，路基高度为8 m，路基半幅宽度为13 m，路基拓宽部分宽度为8 m。在边界方面，模型左右两侧及下表面为限定边界，上表面为自由表面，其相关材料物理力学参数如表1所示，所得模拟分析结果如图6～图8所示。

表1 路基材料相关物理力学参数

图6 工况1路基沉降云图

图7 工况2路基沉降云图

图8 工况3路基沉降云图

从图6～图8中可以看出，当对拓宽路基仅施作强夯时，其沉降范围较大，已导致坡脚处产生较大范围的沉降，极易引起路基整体剪切破坏；沉降最大值产生在拓宽路基靠近边缘一侧，其最大值达到了13.53 cm。当采用强夯+增设土工格室的施工技术后，路基沉降范围明显减小，仅分布在路基边坡处，但仍存在路基垮塌、滑移的危险；其最大值分布在拓宽路基靠近边缘一侧，其最大值为7.07 cm，较仅施作强夯法的路基沉降最大值减小47.7%。当采用“强夯+增设土工格栅”时，其沉降范围大幅减小，仅在拓宽路基处产生沉降，其最大值为4.62 cm，较仅施作强夯法的路基沉降最大值减小65.9%。可见，仅采用强夯处理时，无法避免新旧路基的差异沉降，且强夯荷载作用下新路基导致该侧产生大范围沉降，不利于整体稳定；而当采用增设土工格室或土工格栅后，增大了新旧路基的横向连接，提高了路基整体承载力；由于土工格栅较土工格室具有更强的土体变形协调的能力，采用土工格栅后，产生更大的摩擦力，其路基整体稳定性更强。