土工加筋处理技术在高速路基拓宽改造中的应用

高 紫 君

(山西远方路桥(集团)有限责任公司，山西 大同 037006)

1 概述

21世纪初期至今，省内高速公路建设实现跨越式发展，省内高速公路通行骨架基本建成，局部高速路网加密正不断完善；在经济发展新常态背景下，高速公路对省内实现转型升级发展具有重要意义和作用。既有线路已经服役多年，在长期车辆荷载和自重等因素的耦合作用下，既有线路的沉降固结作用已接近尾声，且原有路基结构的双侧坡脚与原地基已固结完全；对既有线路进行拓宽改造后，新填筑路基的沉降由附加自重和上部车辆荷载作用引起，在路基挤压和固结作用下，会出现明显的竖向及侧向沉降，由于新旧路基衔接位置的沉降值差异明显，二者变形无法协调，在衔接位置将出现严重的应力集中问题，一旦衔接位置的集中应力大于路基土体的抗拉强度值，将引起开裂、脱空等病害，最终影响路基整体结构的承载能力及变形刚度，严重影响行车平顺性。综上，为了解决拓宽改造路基的开裂病害，提升路基结构的整体性和稳定性，应对衔接位置进行必要的加固处治，借助土工加筋处理技术能够最大程度控制新旧路基结合位置的不均匀沉降水平，能够有效缓解结合位置的集中应力现象。

2 高速路基拓宽改造中路基不均匀沉降分析

拓宽改造后路基开裂病害主要表现为横向及竖向开裂两种形式，实地调查省内众多改扩建项目可知，绝大多数以纵向开裂为主，且裂缝发展倾向于旧路基位置。以省内某高速公路拓宽改造项目为例，该项目地处平原地区，考虑到本工程项目地质结构良好，土基承载能力满足要求，新旧路基荷载作用下的不均匀沉降主要表现在新旧路基的压缩变形和新旧路基结合位置的抗拉强度不足两方面。

高速公路路基拓宽改造施工时，若拓宽路基填方高度数值较大且压实度指标较低时，在拓宽路基自重荷载作用下，路基材料的压缩形变基本完毕；新填筑路基的压缩变形自由量较大，综上，施工位置工程地质较好的前提下，新填筑路基的压缩变形占上风。拓宽路基压缩变形原理如图1所示。

除了新填筑路基材料的压缩变形值较大之前，新旧路基衔接位置的抗拉强度值不满足要求也是引起二者不均匀沉降的主要因素之一。衔接位置抗拉强度值较低容易导致结合位置出现不同程度的错台和滑动，由于衔接位置的应力集中现象显著，错台和滑动病害将继续发展成为结构失稳和承载失效。图2为新旧路基衔接位置抗拉强度不满足要求引起的路基病害图。

3 土工加筋理论及作用机理分析

在高速公路路基拓宽改造施工过程中，新旧路基衔接位置引起的不均匀沉降将严重影响加宽后路基结构的承载能力、变形刚度及稳定性；在省内控制施工过程中，常用的处治措施有：台阶法、加筋处理法、复合地基处理法等，本文以省内某高速公路拓宽改造项目为例，着重分析了加筋土在拓宽改造路基处治过程中的应用。

3.1 土工加筋基本理论

土工加筋材料主要指的是由人工聚合物制成的各种高强度、高弹性模量产品，在岩土工程及各种基础处治中应用广泛，常用的土工合成材料可细分为土工类编织物、土工覆盖膜、土工合成材料及复合土工材料四类；在路基加固处治施工过程中，常用的土工合成材料有土工格栅和土工格室两种。土工格栅与土工格室分别如图3，图4所示。

3.2 土工加筋作用机理分析

在省内高速公路拓宽改造施工过程中，常用的处治加固技术有两种，即：土工格栅加筋处治技术和土工格室加筋处治技术。土工格室材料是基于土工格栅发展演变而来，其中，土工格栅使用最为普遍，为了能够控制新旧路基结合位置的不均匀沉降病害，可使用满足拉压受力特性的钢制格栅，以提高土工格栅的工程特性。土工格栅的加固机理可以简述为摩阻加筋原理，土工加筋加固结构在填筑路基土体自重和上部荷载的耦合作用下，土工格栅能够承担来自土体的拉压应力，若土工格栅的正交方向存在从路基中滑移的相对运动趋势时，路基填筑料的法向摩阻力增加，可认为是土工格栅和加固路基土体之间存在众多嵌锁剪力键，且剪力键抗剪强度与法向相对滑移趋势呈正相关关系。摩阻加筋处治原理逻辑合理，在变形刚度值较大的加筋土体中得到普遍使用。土工格室加固材料与土工格栅相比最明显的特点为，土工格室属于典型的三维结构，土工格室能够和路基填筑料相互挤压、作用。土工格室结构具备较高的抗弯和抗压性能，能够改变拓宽路基结构的应力分布情况；此外，借助土工格室的侧向约束作用，能够限定路基土体结构的横向及竖向位移变化值，最大程度降低路基土体结构的变形值，改善拓宽后路基结构的不均匀沉降量。

4 工程项目案例

选取省内东南部高速干线网某支线拓宽改造升级工程项目为研究案例，对应的改扩建施工标段为K40+100～K350+225。图5为拓宽改造施工现场情况。

为了能够最大程度适应新旧路基衔接位置的不均匀沉降大范围变化要求，拟在本工程项目新旧路基结合位置选用柔性土工格室进行加固处治。土工格室的相邻焊接点位距离应不低于400 mm，且土工格室实际高度值宜取值为100 mm，土工格栅单块板厚度值取1.5 mm；为了能够满足新旧路基结合位置的应力重分布要求，土工格室材料的抗拉压强度值应不低于25 MPa，且抗拉压弹性模量值应不低于600 MPa，低温环境下的脆性标准应满足-50 ℃标准。图6为土工格室施工现场情况。

施工流程应严格遵循《高速公路标准化施工技术(路基工程部分)》相关要求，应在新旧路基衔接位置开挖台阶，并在每一台阶台面均匀分布土工格室，为了保证土工格室与路基土体之间的可靠连接特性，回填路基土应充分整平夯实，并在台阶端部位置加设固定插销，借助固定插销的抗剪强度提高二者之间的连接性能，防止在上部荷载与自重的耦合作用下导致土工格室与路基回填土连接失效。土工格室在敷设过程中原则上不允许施加预应力，以防止土工格室出现大变形而丧失固结作用；铺装土工格室应采用灌砂法测定拓宽改造位置的压实度指标，开挖成孔过程中应避开土工格室端部材料，尽量在中间位置成孔。

经施工现场监测数据表明，敷设土工格室后的各个断面中，最大沉降值出现在拓宽路堤的路肩位置，这一现象说明，土工格室的应力扩散效率较高，能够使新填筑路堤成为一个整体，以降低新旧路基结合位置的不均匀沉降值。

5 结语

兴建项目前期投入大、环境影响显著，不利于区域可持续发展；为了能够在短期内快速扩充运力，并最大程度压缩投资，既有线路改扩建施工成为当前工程界普遍使用的一种方式。文章以省内某高速公路拓宽改造项目为研究案例，对土工加筋处理技术的不均匀沉降控制机理进行分析，着重对土工格室在拓宽路基改造施工中的具体应用进行分析，以提升省内既有高速公路的拓宽改造施工质量。