高速公路新旧路基衔接处不均匀沉降问题分析

杜 玉

(山西省晋中路桥建设集团有限公司，山西 晋中 030600)

0 引言

随着省内交通运输及物流行业的快速发展，高速公路通行量及荷载水平快速提升，建设于21世纪初期的高速公路结构的通行能力和承载能力均无法满足当前的通行和承载要求，为了实现高速公路的长期、可持续服役目的，必须对既有高速公路的路基结构进行拓宽改造施工，以提升老旧高速公路的综合技术指标。高速公路加宽施工中，新旧路基结构的衔接施工位置及衔接位置的不均匀沉降控制是工程施工中的重点和难点。为了提升省内高速公路拓宽改造施工技术的综合能力，必须强化新旧路基的沉降控制技术，切实降低改造后路基结构的不均匀沉降病害概率，并为后续的省内既有高速公路改扩建施工提供技术参考和借鉴。

1 新旧路基衔接位置不均匀沉降影响因素分析

1.1 路基拓宽方式及宽度对不均匀沉降的影响因素

经施工项目现场试验分析可知，新路基的拓宽长度增长值与新旧路基的沉降增长值二者之间呈现出显著的正相关关系，但是并非简单的线性关系，相关曲线的斜率值逐步降低。对于高速公路路基单侧加宽施工而言，原有路基结构的中线位置的沉降逐步增加，但中线周围的沉降值较低，沉降变化规律为先增加后降低。若假定加宽路基的路堤高度值恒定，在拓宽长度较低时，路基顶部出现沉降的最大位置一般位于加宽后路肩结构的外围，在加宽施工过程中，沉降量最大值逐步向路基中心位置合并，并在新填筑的路基结构表面形成反向的横坡。在车辆荷载及外部环境的耦合作用下，路基结构容易受到破坏。综上，在原有路基拓宽宽度较小的情况下，由于受到车辆荷载及外部恶劣环境的耦合作用下，为了降低其对路基结构的破坏和影响，可以选用单车拓宽施工技术；若拓宽值较大时，新旧路基结构的沉降差异对拓宽宽度的变化敏感性较强，一般不建议在工程中使用。本拓宽改造项目的路基结构呈中心对称形式，在计算中，选定的加宽长度分别为7.5 m和15 m，相应的半值分别为3.75 m和7.5 m，最终的沉降结果值如表1所示。

表1 不同拓宽宽度相应的新旧路基沉降差值

1.2 加宽路基高程变化对沉降差异的影响分析

在施工项目现场采取试验的方式对距离旧有路基中心不同距离下的相应顶面沉降值进行分析，具体沉降值统计结果如表2所示。

表2 沉降值统计结果

分析表2可知，对应的路基填筑高度越低，新旧路基结构在顶部位置的沉降曲线的变化幅度越显著；且新旧路基结构的填土高度与新路基结构对旧路基结构的影响之间呈现明显的正相关关系，由于旧有路基结构的沉降值降低，最终的路堤结构顶部的沉降段的变化趋势逐步趋向于缓和。经现场试验研究可知，路基填筑高度与旧有路基对新路基的沉降影响程度之间呈正相关关系，所以，相应的拓宽路基结构在脱离原有路基结构边坡后，拓宽部分的沉降差异值较低，由于新旧路基结构沉降的不同步性，导致路基结构内部局部出现应力集中问题，最终引起“波浪形”沉降病害。

2 新旧路基衔接位置不均匀沉降指标控制分析

省内高速公路施工中，路基结构层的主要土质类型为黄土，黄土结构的典型特性是在浸水条件下承载能力急剧下降，干燥黄土和含水率较高的黄土的承载能力之间存在明显的差异；由于黄土在浸水后，其承载能力下降显著，其承载特性类似于软土，在上部荷载和环境的耦合作用下，很容易引发局部不均匀沉降。高速公路路基拓宽改造施工中，不均匀沉降控制指标主要是纵坡和横坡，上述两个指标的控制可以实现路基沉降的总体控制目的。

2.1 高速公路路基拓宽后的纵坡要求

JTG B01—2015公路工程技术标准中对路基沉降引起的纵坡变化进行明确的规定，在不同设计时速条件下，路基纵坡的控制标准如表3所示。

表3 不同设计时速条件下的纵坡最大值

分析表3可知，不同设计时速条件下的纵坡极限值相差最大值为1%，纵坡率对行车速度影响极为敏感，在确定控制标准时必须谨慎。在该拓宽改造施工项目中，选取0.5%作为坡度变化的限值。

2.2 高速公路路基拓宽后的横坡要求

原有路基结构的沉降基本完成，改造后的路基结构在自重作用下的沉降量尚未完全，依照项目施工经验，拓宽改造后的路基结构在新路堤结构的作用下，对于原有路基的残余沉降量较小，在新路基结构的形心位置由于应力集中问题，残余的沉降值增加。由于加宽改造施工对道路横坡的影响较为明显，在设计过程中，若选定的横坡率值为2%，虽然能够提升排水效率，但是不利于行车安全，本工程项目选定的横坡率值为0.5%。路基加宽施工不同位置沉降分布如图1所示。图1中，1表示旧路基沉降分布情况，2表示拓宽后的路基沉降分布情况。

3 新旧路基衔接位置常用不均匀沉降控制措施分析

3.1 新旧路基削坡及台阶开挖施工技术

原有路基结构的削坡及台阶开挖可以显著控制不均匀沉降，根据本工程项目，在加宽路基施工中，原有路基的表层开挖厚度值应不低于300 mm，且开挖的材料不能应用在新填筑路基中，斜坡疏松土必须及时清理，台阶开挖应选用由下至上的方式进行开挖。在具体的台阶开挖过程中，结合本工程项目实际情况，以最大程度保证大斜坡路基的稳定性，应先削坡再进行台阶开挖，且削坡环节应划分为多次进行，且后续削坡的坡率值应逐步放缓。本拓宽改造项目选用的台阶开挖方式为竖倾式台阶，竖倾台阶可以保证逐层台阶开挖的压实特性，但是相应的施工难度较高，由于本工程项目在台阶开挖过程中没有使用加固格栅，因此，竖倾式台阶的优势极为显著。竖倾式结构如图2所示。

3.2 土工合成加固技术

在路基拓宽改造施工中，土工合成材料加固技术对于新旧路基的不均匀沉降控制优势显著。常用的土工合成加固技术主要为土工格栅材料。该技术原理是将被加固的土体视为各项异性的复合材料，复合材料同时受到拉应力和剪应力两种，可以将格栅材料视为刚性材料，其加固性能优异。使用加筋材料进行加固的过程中，随着铺筑层位置的逐步降低，差异沉降作用的削减效应逐步提升。在土体相互摩擦力的作用下，可以为新旧路基土体提供较强的横向约束力，以控制新旧路基的整体变形能力，新旧路基土体的整体性和刚度显著提升，二者之间的不均匀沉降效应被显著抑制。对于加宽部分路基，土工格室加筋时的水平位移小于不加筋时的位移,即土工格室加筋对防止路基水平位移有较为明显的效果，有效抑制和减少了路基水平位移。

4 结语

既有高速公路的路基拓宽改造施工过程中，新旧路基的不均匀沉降是拓宽改造施工中的常见病害之一，衔接位置的不均匀沉降严重影响了路面的通行能力及行车平顺性。文章以省内某高速公路路基拓宽改造项目为例，阐述了新旧路基不均匀沉降的影响因素、控制指标及应对策略，经施工项目应用后，沉降控制能力反馈良好。