公路加宽分部填筑路基沉降特性及差异沉降控制技术研究

2022-05-12胡正河

交通世界 2022年12期

胡正河

（邢台市信都区地方道路管理站，河北邢台 054000）

0 引言

随着我国经济建设的快速发展，高速公路的交通量也逐渐增长，考虑到既有高速公路的病害及减少对土地的占用，可通过在既有公路路基的两侧或者单侧进行扩建，以满足交通需求。但已有公路路基在长期的行车荷载作用下，固结沉降过程基本上完成，处于相对稳定状态，而扩建部分路基依附于既有路基边坡上，在外部荷载作用下仍会发生沉降，使新旧路基交接部分会出现不均匀沉降，甚至引起连带沉降，严重时表面出现裂缝，路基内部存在滑裂面，从而对高速公路通行能力、服务水平及行车安全产生较大的影响。因此，解决新旧路基交界处的差异性沉降显得至关重要。

本文以邢台高速改扩建工程为工程背景，在传统水平分层填筑技术的基础上，针对高速公路改扩建过程中遇到的差异性沉降等问题，在土力学应力路径理论基础之上，提出了分部填筑施工技术，并对分部填筑施工技术的施工要点进行了介绍。然后通过现场试验，对不同土工格栅长度及分部填筑高度条件下，改扩建路基的沉降进行了研究，最后从路基填料的选择及压实度两方面对路基的差异性沉降进行控制。

1 工程概况

邢台高速是河北省境内一条由南向北的重要主干道，也是河北省“九纵五横一环七连”高速公路规划布局网中的一条，承载着河北省南北向的主要交通需求。由于既有老路基出现不同程度的病害，难以满足日益增大的交通需求及行车安全要求，将既有主线四车道改扩建为八车道，全线路基加宽段全长46.21km，扩建方式为单侧或者双侧，扩建后的高速公路设计使用年限为15年，设计车速分为100km/h和120km/h，设计荷载1级。

本工程所处地形条件复杂，有低山丘陵区、平原微丘区等。地貌单元种类多，高低起伏变化大，地貌十分发育。路基段处于低山丘陵工程地质区，地质条件良好，但地面高低起伏变化大，给施工带来一定的困难，另外在施工过程中需要注意构造破碎带、软弱夹层等问题。

2 拓宽路基分部填筑工法特性

传统新旧路基扩宽工程中，一般选择水平分层填筑的施工工法，但由于新旧路基填料及下方地基的固结程度等均不同，可能会引起新旧路基交界处出现差异性沉降，从而引起路基路面出现开裂破坏，甚至会导致路基整体垮塌，给行车安全带来严重的影响。因此，本文基于土力学中应力路径优化原理，提出了一种分部填筑的施工方法，可以有效提高新旧路基的稳定性。

2.1 分部填筑工法断面设计

分部填筑方法是应用于路基拓宽工程中，基于传统的水平分层填筑方法，提出的一种改进施工工法，如图1所示。

与传统水平分层填筑方法不同，在老路基边坡按照不同拓宽形式开挖台阶后，在距离旧路基边坡一定范围内分层填筑第一部分新路基，当新填筑路基碾压固结稳定后，在新旧路基之间填筑第二部分新路基填料。公路地基土稳定性较差时，可对新旧路基之间地基进行加固，如在地基进行加固桩处理，从而提高新旧路基交界处的整体稳定性。同时，为了增加新旧路基之间的连接力，可通过在台阶处布置土工格栅或者微型桩等进行局部加固，降低新旧路基交界处开裂的风险。

在距离老路基边坡一定范围外填筑的新建路基在自身重力作用下，路基下方地基的应力状态和变形条件发生改变，形成和老路基滑动方向相反的力矩，从而平衡老路基的滑动力矩。并且，新建路基不仅能够帮助老路基承受一部分填土压力，而且新建路基本身在自重作用下发生固结，可以提高间隙软土的强度和水平应力，有效减小老路基的附加变形。

2.2 分部填筑工法施工要点

高速公路改扩建工程利用分部填筑工法施工时需要注意：

（1）按照相关规范要求对老路基和新建路基施工场地进行清理后，需要根据路基相方地质条件，合理选择路基拓宽方式、路基填筑高度。

（2）对老路基进行削坡和开挖台阶，为增加新老路基之间的接触力，对老路基表面进行30cm进行清坡处理及地基表面压实，填筑高度5m以下的部分采用连续液压夯夯实，填筑高度在5m以上的采取重夯夯实；在进行填筑压实过程中，需要做好路基排水工作，并保证各层填料的压实度。

（3）当路基填方高度过大或者地质条件较差时，一般采用水泥搅拌桩复合地基法进行处理，桩体梅花形布置，桩间距1.5m，桩径为0.5m，单桩承载力不小于130kN。

（4）按照台阶开挖线，由上到下分级开挖各级台阶。当地基固结一段时间，路基压实找平后，才开始下一级台阶的开挖。为了保证新旧路基的整体稳定性，一般在台阶开挖后，利用土工格栅和土体之间的嵌固咬合作用，通过铺设土工格栅，加强新旧路基之间的衔接。开挖台阶的参数为：台阶坡度为横坡内倾4%，竖向内倾15°；上部台阶宽100cm，高82cm；坡脚处台阶宽175cm，高142cm。

（5）为进一步减少新旧路基之间的差异沉降，可以选择在台阶处隔级布设微型桩，在台阶开挖后进行施工。

3 现场沉降监测及差异沉降控制技术

土工格栅长度及分部填筑高度均为影响路基分部填筑施工效果的重要影响因素，通过现场试验，对不同土工格栅长度及分部填筑高度下分部填筑路基的沉降特性进行研究。现场利用沉降板对新旧路基连接及坡脚处沉降值监测，如图2所示。

图2 沉降板

3.1 不同土工格栅长度

采用分部填筑技术，先填筑新路基的第一部分，然后填筑新路基的第二部分，在路基分部填筑高度为4m的前提下，从上到下依次开挖4级台阶，台阶高度分别为1.2m、0.5m、0.85m、1.45m，土工格栅铺设在第一级台阶地面，土工格栅的长度分别4m、6m、8m，如图3所示。

图3 不同土工格栅长度（单位：mm）

不同土工格栅长度下，路基的沉降值随时间变化的曲线如图4所示。

图4 不同土工格栅条件下路基沉降曲线

由图4可知，随着时间的增加，不同土工格栅长度条件下，路基的沉降值逐渐增大，但沉降速度先增大后减小，且不同土工格栅条件下路基的最终沉降值相差不大：土工格栅长度为4m时，路基的最终沉降值为21.5m；土工格栅长度为6m时，路基的最终沉降值为24.1m；土工格栅长度为8m时，路基的最终沉降值为23.2m；这是由于土工格栅的位置为路基顶面，土工格栅长度对加宽路基坡脚处沉降值影响不大。

3.2 不同分部填筑高度

老路基边坡开挖4级台阶，并在路床地面铺设6m土工格栅。路基分部填筑高度分别为3m、4m、5m、6m，台阶自上到下分别为：第一级台阶（高度1.2m）、第二级台阶（高度为总填筑高度减其他三级台阶高度）、第三级台阶（高度0.85m）、第四级台阶（高度1.45m），如图5所示。

图5 不同填筑高度（单位：mm）

不同填筑高度下，路基顶面处侧沉降值如表1所示。

表1 不同填筑高度下路基顶面处侧沉降值

由表4可知，路基顶面的沉降值随着距离老路基中心线位置的不同最大沉降值也不同，且随着路基填筑高度的增加，沉降最大值向新路基路肩处移动，地基沉降的速率逐渐降低：当路基填筑高度为3m时，路基顶面最大沉降值17.8cm，距离老路基中心线约16m；当路基填筑高度为4m时，路基顶面最大沉降值20.1cm，距离老路基中心线约18m；当路基填筑高度为5m时，路基顶面最大沉降值22.3cm，距离老路基中心线约20m；当路基填筑高度为6m时，路基顶面最大沉降值24.1cm，距离老路基中心线约24m。且随着路基填筑高度的增加，路基顶面最大差异沉降值也逐渐增大，但增加幅度降低：路基高度从3m到6m每增加1m，最大差异沉降分别增加12.9%、10.9%、8.1%。

这是由于，随着路基填筑高度的增加，地基土体压缩模量逐渐增加，路基固结程度升高，可压缩性降低，从而导致路基沉降速率变慢。另外，在分部填筑路基自重应力作用下，路基下部地基土体的应力扩散，进一步提高路基填料固结程度，沉降值增加。