高速公路改扩建中路基加宽段差异沉降控制技术的应用

2022-10-16张凯乐

交通世界 2022年25期

张凯乐

（石家庄市公路桥梁建设集团有限公司，河北石家庄 050000）

1 路基加宽段沉降变化特性分析

旧路基经长时间使用，土体固结沉降基本全部完成，处在稳定状态。但拓宽施工后，由于土体强度存在差异，会使新旧路基之间出现一定的差异沉降。为明确新路基加载可能给旧路基变形造成的影响，借助ABAQUS开展地应力平衡，在达到平衡状态后，土体初始位移达到零，以此为基础，对新路基填筑进行加载分析。当开挖台阶的宽度和高度分别为1.5m、1.0m时，根据每次开挖完成后的台阶的云图可以看出，伴随填筑不断进行，新路基产生的沉降明显增加，并且旧路基两侧还会由于新路基荷载增加产生向内的位移[1]。当新路基填筑高度不断增加时，旧路基产生的沉降也明显变大，当新路基填高为4m时，旧路基产生0.4cm的沉降，当新路基填高为6m时，旧路基产生1.2cm的沉降，在新路基开始运营后，旧路基产生3.1cm的沉降。从以上数据可以看出，新路基填筑施工对旧路造成的影响不断增强，使拓宽处沉降值增加，最大沉降产生于1/2填高处，即新、旧路基之间的交界处。其原因为采用台阶法进行开挖时属于分层加载，基本还原工程实际情况，实际计算结果与一般规律基本相符。

除竖向沉降以外，在新路基填筑过程中，水平方向的位移也会产生明显变化。新路基填筑时，路肩产生的变形从0.3cm增加至0.7cm，具体的变化方向为旧路基方向，下部变形较大，具体为从0.8cm增加至2.5cm，具体的变化方向为坡外。填筑时的最大变形产生于新旧路基之间的拼接带处，其原因为分层填筑完成后受自重作用产生一定的压缩变形。旧路基和地基形成的整体也会由于新路基填筑施工产生一定水平方向变形，最大变形值产生于旧路基顶部，具体数值为4.3cm，其原因为路基开挖之后产生不断累积的变形，旧路基基底由于新路基填筑不断被压缩，产生向路中侧的水平方向位移，具体数值为1.1cm[2]。

2 路基加宽段沉降控制相关标准

在改扩建工程中对差异沉降进行控制时，相应的控制标准是保证最终控制效果的重要参考依据。该标准除了要充分考虑与实际工程之间的适用性，还应使综合效益达到平衡。目前对改扩建工程进行沉降评估时，主要采用以下几种指标：总沉降、工后沉降、差异沉降与边坡率。

对拓宽工程而言，因旧路基在新路基荷载作用下沉降分布会出现明显的变化，具体表现为两侧沉降相对较大，而中部沉降相对较小，因而在拓宽后路基进入运营状态后，伴随路基工后沉降不断产生，路拱坡度将持续增大。基于此，设计过程中，应预留一定的空间，避免扩建结束后因横坡产生明显变化而超出安全允许标准[3]。

由于拓宽工程并没有统一的沉降控制标准，因此我国不同路段的拓宽工程所用的控制标准往往不尽相同，例如沈大高速公路的沉降控制标准为拓宽路基工后沉降量不超过12cm；沪杭甬高速公路的沉降控制标准为一般路段的拓宽路基工后沉降量不超过15cm、桥头段的拓宽路基工后沉降量不超过5cm，且横坡比变化不超过0.5°；沪宁高速公路的沉降控制标准为拓宽路基总沉降量不超过15cm，工后沉降量不超过5cm，且路拱横坡没有反坡；常澄至沪宁拼接段的沉降控制标准为拓宽路基工后沉降不超过10cm[4]。

在地基条件下进行拓宽工程施工时，无论是变形量还是变形产生速率都比一般路段的高速公路高很多，因此更容易出现沉降和差异沉降，进而给拓宽路基质量造成严重影响，严重时将引起纵向开裂。因此，由于路基自身工程特性较为特殊，需提出比其他工程更严重的沉降控制标准，具体为：工后沉降的计算年限要达到15年以上；拓宽路基工后沉降应控制在5cm以内；拼接处理部位的横向变坡率应控制在0.3%以内；复合地基部位的变坡率应控制在0.2%以内。

3 路基加宽段差异沉降控制方法——土工格栅加筋

3.1 技术概述

土工格栅是采用聚丙烯、聚氯乙烯与其他高分子聚合物经热塑性或模压制作而成的二维网格状或三维状网格，不仅变形模量大、抗拉强度高、抗老化性能强，且摩擦系数大，可达到理想效果，实际加固效果明显好于采用传统材料。将该技术应用于拓宽工程当中，能对新旧路基之间的接缝予以有效加固，促使两者形成一个完整体，从而将沉降，尤其是不均匀沉降限制在安全范围之内。在旧路基开挖完成后，沿纵向在开挖形成的台阶表面铺设一道土工合成材料，同时在新路基中进行铺设，使新旧路基形成一个整体。此外，为加强新旧路基的结合性，还需在旧路基当中设置加固带。若按照筋材用料及生产工艺，则可将土工格栅分成整体成型格栅、焊接成型格栅、钢塑格栅与玻纤格栅四种。在选择具体格栅类型时，一方面要考虑工程需要，另一方面则要考虑材料的单价与运输等方面的成本。

3.2 效果分析

土工格栅一般从地表开始铺设，向上按照三个台阶高度的间隔依次放置，格栅主要物理力学参数包括：①密度：20g/cm3；②泊松比：0.25；③弹性模量：80MPa；④黏聚力：16kPa；⑤内摩擦角：35°。因格栅厚度相对较小，因此其结构层需使用厚度满足要求的均质材料替代。

为明确加筋层位和层数与扩宽路基沉降之间的关系，确定以下工况：

工况一：未铺设土工格栅；

工况二：在第一层铺设土工格栅；

工况三：在第二层铺设土工格栅；

工况四：在第三层铺设土工格栅；

工况五：在第四层铺设土工格栅；

工况六：在第一层和第四层分别铺设土工格栅；

工况七：在第二层和第三层分别铺设土工格栅；

工况八：在第一、第二和第三层分别铺设土工格栅；

工况九：在第一、第二、第三和第四层均铺设土工格栅。

对以上不同工况条件下的加固效果进行对比和分析，结果如表1、2所示。

表1 不同工况条件下路基顶部工后沉降

表2 不同工况条件下路基顶部工后水平位移

从以上结果可以看出：

（1）铺设与未铺设工况相比，工况二条件下能减少0.283cm的工后沉降，工况三条件下能减少0.207cm的工后沉降，工况四条件下能减少0.205cm的工后沉降，工况五能减少0.281cm的工后沉降，工况六条件下能减少0.413cm的工后沉降，工况七条件下能减少0.333cm的工后沉降，工况八条件下能减少0.438cm的工后沉降，工况九条件下能减少0.494cm的工后沉降；工况二条件下能减少0.334cm的水平方向位移，工况三条件下能减少0.240cm的水平方向位移，工况四条件下能减少0.237cm的水平方向位移，工况五条件下能减少0.331cm的水平方向位移，工况六条件下能减少0.562cm的水平方向位移，工况七条件下能减少0.423cm的水平方向位移，工况八条件下能减少0.648cm的水平方向位移，工况九条件下能减少0.741cm的水平方向位移。由此可以看出，当路基高度与台阶尺寸完全相同时，不论何种工况，加筋后路基整体工后沉降及水平方向位移均明显减小。将土工格栅铺设于路基当中能起到分散荷载的作用，提高土体自身刚度模量，防止路基产生较大沉降，从而减小路基的横竖向变形。不同工况条件下的路基横竖向变形并无太大差异，尤其是路基顶部的差异沉降，保持在4.392～4.679cm之内，最大相差只有0.287cm，表明虽然土工格栅加筋能减小路基沉降，但实际效果比较有限。

（2）根据以上结果对加筋位置和加筋效果之间的关系进行分析。在工况二、三、四、五几种条件下，无论加筋位置如何，都能减小路基沉降及水平方向位移，从而降低新旧路基之间的差异沉降。然而，工况二条件下的最大工后沉降数值为4.965cm，工况五条件下的最大工后沉降数值为4.933cm，但工况三条件下的最大工后沉降数值为5.041cm，工况四条件下的最大工后沉降数值为5.037cm，工况二、五的处治效果比工况三、四好得多，表明进行单层加筋施工时，在路表的顶部或路基的底部进行加筋能更有效地减小不均匀沉降，在中部进行加筋的减小沉降作用则相对较小。其原因为：在路基的基底进行加筋可以增强路基整体承载力，防止裂纹产生与发展，良好地分担从路面传递下来的荷载。基于此，实际施工时应优先考虑在路表或基底处进行加筋。

（3）根据以上结果对加筋层数和加筋效果之间的关系进行分析，对工况五、六、八、九条件下的计算结果进行对比分析，结果为：工况五条件下路基表面工后沉降的最大值为4.965cm，工况六条件下路基表面工后沉降的最大值为4.835cm，工况八条件下路基表面工后沉降的最大值为4.810cm，而工况九条件下路基表面工后沉降的最大值为4.754cm；在水平方向位移方面，工况五条件下路基沿水平方向发生的最大位移为4.215cm，工况六条件下路基沿水平方向发生的最大位移为3.992cm，工况八条件下路基沿水平方向发生的最大位移为3.904cm，工况九条件下路基沿水平方向发生的最大位移为3.811cm。从以上结果可以看出，当格栅铺设层数增加时，加固效果提升，沉降与位移降低的幅度增大。在以上几种工况条件下，以工况九差异沉降数值达到最小，具体数值为4.392cm，但仅比工况六条件下小0.056cm，实际变化并不大。可见，在路基表面与基底分别布置两层格栅可以最大限度控制差异沉降，相比之下全层加筋并没有显著优势，反而会造成材料和工期上的浪费。

经以上分析可得，采用铺设格栅的方法能减少新旧路基之间的差异沉降，且大多情况下铺设两层格栅即可达到工程要求，采用全层铺设的方案并不能达到预期作用与两层铺设并无太大差别，因此会造成浪费。基于此，为保证路基施工的安全性与经济合理性，对低填方路基而言，建议在路基顶部与地表分别铺设格栅，而高填路基需结合开挖台阶尺寸，按照一定层数间隔在台阶上进行格栅的铺设。

采用土工格栅加筋的方法可以在很大程度上对路表沉降变形予以改善，缓解路表沉降和侧向变形，但实际作用存在一定限制。该方法的实际处治效果会受到加筋位置、加筋层数等因素的影响。其中，在路基表面或路基基底进行加筋的效果显著好于在中部加筋；当加筋层数增加时，虽然处治效果有所提高，但并不现实，一味按照全层加筋的方案进行处治，非但难以达到预期处治效果，还会造成资源上的浪费。因此，采用加筋方案控制差异沉降的过程中，应做到具体情况具体分析，例如在低填路基施工中，建议在其表面与地表分别铺设一道格栅，而在高填路基施工中，需结合开挖台阶的具体尺寸大小，按照适当的间隔层数在台阶表面铺设格栅。