高速公路路基拓宽中的软土地基处理技术

2021-07-27吴西蒙

工程与建设 2021年2期

关键词：拓宽轻质填料

吴西蒙

(中北工程设计咨询有限公司杭州分公司，浙江杭州 310018)

1 高速公路改扩建工程的病害机制分析及控制

1.1 高速公路的常用加宽方式

高速公路的拓宽方式主要可以分为三种：

(1) 完全拼接拓宽。这种拓宽方式是公路已经处于运营状态，其路基以及地基沉降相对较为稳定，但是由于交通量的快速增长，原有的路基已经不能不能满足交通量的需求，为此在老路基的一侧或者两侧进行削坡拓宽。该拓宽方式需要旧路重新铺筑的只有面层，其他结构层只有新路基进行铺筑即可，这也就是新旧路基受力特点差异较大的原因，也就导致了对新路基之下的地基承载力改善情况以及拓宽材料的选择有着较高的要[1]。

(2)不完全拼接拓宽。这种拓宽方式主要应用于公路建设过程中的设计变更，与完全拼接相比其两者直降的施工间隔较小，沉降差异也较小，但是该种形式在实际工程中应用较少。

(3)分离式拓宽。指的是在老路一侧或两侧相邻或者相近的位置修建新车道，新旧车道设置的距离相对较远，相互之间的影响也较小。该种形式经常用于受地形限制的高速公路中[2]。

1.2 高速公路拓宽的常见病害

(1)拓宽路基失稳。软土地区开展高速公路的拓宽工程，在新旧路基的结合处容易出现拓宽部分的滑移，由于新老路基的沉降速率不同，进而导致在结合处出现应力集中、突变的现象，最终导致了纵向裂缝的产生。此外拓宽的路基填土在自重的作用下逐渐出现侧向位移与沉降，使得路基拓宽的部分沿着结合面出现横向以及竖向的移动，进而在路面上出现裂缝，而雨水则会沿着裂缝向路基深处渗入，降低结合面处的强度，加速路面结构的整体破坏坍塌。

(2)路面损伤及整体性能下降。扩宽路基出现横向的不均匀沉降主要是由于新老地基的固结沉降状态不同以及加宽路基性能的变化，进而导致路面出现纵向裂缝、板块断裂、局部沉陷、路面状况指数以及结构承载力下降。

1.3 拓宽路基病害机制研究

高速公路拓宽路基病害产生原因归纳起来可以分为两个方面，分别为稳定性和变形。

(1)稳定性不足。稳定性的问题一方面表现在拓宽路基填料自身的稳定性不足，在荷载以及水的影响下就会失稳破坏。另外一方面就是在地基之下存在着软弱的下卧层，比如软土的性质特殊，流变性显著、压缩系数大，在结合面处极易产生滑动变形[3]。此外还存在着强度不足的问题，其中主要原因是新老路基结合处没有进行相关的处理，或者施工的工艺没能达到相应的标准、未能做排水设施，进而导致水分渗入路基内部，降低了路基的稳定性以及强度，加速路基失稳破坏。

(2)变形不协调。路基的变形不协调体现在道路上即为道路的不均匀沉降，导致不均匀沉降的主要因素有压实度不足、填料选择不合理等。此外，老旧路基经过长时间的荷载作用，其沉降固结已经基本完成，而新拓宽的路基，由于其前期的固结沉降量比较小，突然施加荷载之后，就会出现较大的次固结沉降，如果对填土没有进行充足的压实，就会导致新老路基之间出现较为明显的沉降差。

1.4 新老路基不协调变形的控制技术

对于拓宽路基的不均匀沉降需要通过采取措施来确保软基路段的加宽质量。其一可以加固软土地基来提高地基的承载力，对于埋深较浅厚度较小的软弱层，考虑通过换填并加铺土工合成材料的手段；对于埋深较大或较厚的软弱层，可以通过复合地基的形式来提高地基强度。其2可以提高填料质量以及压实度，进而改善拓宽路基的整体刚度，减小对软土地基产生的附加应力[4]。其三可以对新旧路基衔接处采取处理措施，使得新旧路基成为一个整体，主要的措施包括新老路基交界处挖设台阶、采用加筋技术，在新旧路基结合处铺设土工格栅。其四则需要加强对排水设施的建设管理，确保新旧路基的结合面处不会有水分滞留。

2 泡沫轻质土拓宽路基的机制研究

一般情况，高速公路在进行拓宽之前，在长时间的荷载作用下，路基自身的压缩变形以及地基固结沉降已近基本完成，特别是对于软土地基而言，其物理力学性能有了很大的改变，强度有显著的提高。公路拓宽之后，新拓宽的路基会产生较大的工后沉降，导致新老路基之间出现不协调的变形，如果拓宽路基填料本身的压缩变形较大，就会加剧新老路基的差异变形。

泡沫轻质土具有轻质性，这也就使得该土质应用于软土路基在卸荷再加荷之后其总附加应力依旧只是出于超固结状态，换而言之，即能够保证软基的前期固结压力大于软基总荷载，减小新的压缩变形。同时由于泡沫轻质土具有良好的板体性与较大的压缩模量，能够使其显著降低自身的压缩变形，不会产生过大的工后沉降。此外相比于传统填土材料，泡沫轻质土的地基受力模式是有区别的。传统的填土荷载属于柔性基础，地基变形通常为凹形分布，但泡沫轻质土更类似于刚性基础，其变形为均匀变形，可以将荷载均匀的分散至下层土基之上。

3 泡沫轻质土拓宽路基变形特性分析

为了探究高速公路路基拓宽工程中新老路基的沉降以及受力特性，本节通过FLAC3D软件进行数值模拟分析。在模拟过程中选用的计算参数见表1。

表1 实体单元计算参数

如图1所示，分别为普通路基填料与泡沫轻质混凝土填料的拓宽路基顶面沉降对比变化曲线，通过图像可以看出，经过拓宽的路基，越远离中心线路基顶面的沉降也就会越大，在增大到一定的范围之后，沉降就又会减小。不同的填料，其路基顶面的最大沉降也会有所不同，普通填料的最大沉降在扩宽路基的中心位置，而换做泡沫轻质混凝土之后，最大沉降的位置向新老路基结合处移动。此外，通过曲线也能够明显看出泡沫轻质混凝土填料能够显著降低路基顶面沉降。

图1 拓宽路基顶面沉降

如图2所示，为普通路基填料与泡沫轻质混凝土填料的拓宽路基地基表面沉降的对比曲线，对比看出地基与路基表面的沉降规律大致相似，地基的大变形能够直接影响路面也出现大沉降，使得路面出现拉应力集中，一旦拉应力超过了容许的拉应力，路面就会出现拉裂破坏现象。在经过多年的运营后，原有的路面强度会下降，在外部受力条件的影响下就会出现拉裂破坏。相比于普通的路基填料，泡沫混凝土无论是上台量还是下沉量均较小。

图2 地基表面沉降

如图3所示，分别为普通路基填料与泡沫轻质混凝土填料的拓宽路基地基表面的水平位移沿着深度变化的对比曲线。产生的侧向位移越大，路基也就越容易下沉，地基土体就越容易侧向挤出。对比发现，通过使用泡沫轻质混凝土填筑路基能够有效地减小侧向位移量，再加上泡沫轻质土自身较轻的特质，降低了附加荷载，回缩与挤出的幅度也显著减小，路基整体结构改变幅度较小。