论高速新老路基结合部拼接中锚固加筋技术

陈 浪

（贵州桥梁建设集团有限责任公司,贵州 贵阳 550001 ）

0 引言

高速公路改造工程中的路基拓宽施工重点包括新旧路基间的良好衔接[1]。传统的施工方法是在旧路基的边坡上开挖台阶，然后铺设一层土工格栅，将新旧路基连为一体[2]。为改善高速公路高填方路基拓宽工程的施工质量，可采用路基加宽锚固加筋工法，先开挖边坡，再用锚杆锚固边坡，有效防止土工格栅的滑动，更好地发挥其加筋作用，从而实现新旧路基的良好衔接，最终确保差异沉降得到有效控制。

1 路基加宽锚固加筋法作用机理

1.1 锚杆锚固机理分析

一套完善的锚杆体系主要包括受锚岩土体、锚杆体、胶结材料（注浆体），从微观层面看，还应该包括锚杆与胶结材料之间的交界面、岩石与胶结材料的交界面。这些交界面不仅是介质相互作用的区域，同时也是决定锚固体系承载能力的关键区域。锚固加筋法的作用机理及高速公路路基拓宽时采用的锚固加筋结构如图1所示：

图1 锚固加筋组合结构用于路基加宽示意图

1.2 土工格栅在新老路基结合部拼接中的作用机理

土工格栅锚固加筋对新旧路基交界处的作用机理：①可降低路基交界处的横向应力，使路基的抗剪能力得到最大程度的释放，有效加强新旧路基之间的相互作用，使拓宽后的路基结构更加稳定。②控制新旧路基及其交界处的沉降。土工格栅锚固加筋可以有效改善旧路基的整体结构承载力，从而降低新旧路基的差异沉降。③通过新型路基填筑材料与土工格栅的交互作用，可以有效控制新路基横向位移，从而保证拓宽后的路基结构稳定性[3-4]。

1.3 锚固加筋组合结构机理分析

对于新路基，各层加筋材料对其承载能力的贡献有所不同。第i层加筋材料产生的拉力Ti=min{T1tds,Pupi}，式中，T1tds——加筋材料的设计强度；Pupi——台阶上加筋材料提供的抗拔力。由于台阶的大小和合理埋深的限制，其抗拔力较小，使得新旧路基的不均匀变形难以控制。从图2可以看出，在旧路基边坡支护中，锚固加筋材料与锚杆连接后强度可达T1tds，因此，可利用加筋材料对高填方路基的非均匀变形进行有效控制。

图2 锚固加筋组合结构筋材拉应力分布曲线示意图

2 锚固加筋组合结构设计技术

高速公路高填方路基加宽锚固加筋结构设计的关键在于确定锚杆拉力[5]。从图3可以看出，对于新路基，第i层加筋材料产生的拉力为Ti，台阶拉拔力耗去部分Pupi，剩余Treari由锚杆承受。即Treari=Tmaxi-Pupi=Tmaxi-2αptan'σ'niLeib式中，Tmaxi——加筋材料提供的最大拉力，在极限平衡条件下Tmaxi=T1tds；Pupi——第i层加筋材料的抗拉拔力；σ'ni——第i层加筋材料上的竖向压应力，σ'ni=γhi+Ws，式中Ws——道路表面及交通工具的附加荷载；Lei——第i层加筋材料的锚固长度，b-加筋材料宽度，土工格栅加筋结构中b=l m。

图3 路基加宽中沿筋材长度方向拉应力分布示意图

可通过以下公式计算锚杆受到的拉力：Pani=TreariShi secω。式中，ω——锚杆与水平方向夹角；Pani——施加于第i个锚杆的拉力；Shi——相邻的横向锚杆之间的间隔。通过计算，得到锚杆拉力设计值，可依据工程实际情况确定锚固长度、锚孔直径和锚固材质。筋材与锚杆组合如图4所示：

图4 筋材与锚杆联合示意图

3 锚固加筋技术控制高填方加宽路基差异沉降的数值分析

为明确锚固加筋对高速公路高填方路基拓宽时的差异沉降控制效果，对某高速公路改造工程的实际断面展开数值分析。

3.1 工程概况

某高速公路改造工程总长44.6 km，目标是在原有四车道的基础上再增加四车道，公路沿线某段路基加宽，路基高7.8 m，旧路基表面宽度27 m，两边分别拓宽7.8 m。地表下土体结构为粉质载土、黏土粉土。

3.2 模型建立与参数选取

鉴于路基拓宽问题的影响因子较多，为了便于计算，假设：①基于平面变形问题，采用二维有限元分析方法。②利用M-C理想弹塑性模型对路基填土、路基土体之间的关系进行分析。③旧路基与新旧路基的交界处，在变形过程中不会产生较大的滑动和脱离。④新旧路基的初始应力来自新旧路基的自身荷载[6-7]。因此，基于以上假设，可以利用计算剖面建立模型，进行有限元分析。土工格栅是一种仅受拉、无压缩、无弯曲、无抗弯的刚度柔性材料，可用有限分析工具中集成的土工格栅单元进行模拟，土工格栅和锚杆的主要指标如表1所示：

表1 格栅计算参数

拉筋、土体间的应力传递主要由界面力学特征决定，该工程路基土层分布如图5所示：

图5 路基土层分布

3.3 计算结果分析

为明确锚固加筋技术的应用效果，可对比分析“开挖台阶+土工格栅加筋+锚杆加固”“开挖台阶”“开挖台阶+土工格栅加筋”三种加固方案效果[8]。

3.3.1 路基变形效果分析

（1）地面竖向沉降：采用3种加宽方案处理后的地面附加沉降曲线如图6所示。由此可见，单一的土工格栅实际应用效果并不显著，无法有效控制附加沉降，与单纯开挖台阶的加固方案比较，新路基表面沉降仅降低0.3%。采用锚固加筋加固后，新路基表面的沉降量降低7.2%，使路基底部应力均匀化。

图6 不同方式处治后地表附加沉降

（2）地表横向移动：三种加固方案下，新旧路基地表横向位移变化如图7所示。从图中可以看出，采用土工格栅加筋法降低的横向位移量比仅开挖台阶法增加14.5%。而采用锚固加筋法可以使地表的横向位移量降低40.6%左右。

图7 不同方式处治后地表水平位移

3.3.2 路基路面沉降效果分析

三种加固方案下，新旧路基表面工后附加沉降变化曲线如图8所示。方案三下，新路基表面的工后附加沉降以及差异沉降小幅降低，新旧路基交界处的差异沉降最大，路面边坡坡率变化值为0.57%，超出施工设计要求。方案一下，新旧路基交界处的施工后沉降减少12.9%，且差异沉降得到有效控制，路面坡率变化值为0.35%，符合施工设计要求。

图8 不同方式处治后路基面工后附加沉降

3.3.3 格栅受力分析

（1）采用方案三时，土工格栅整体拉力较低，最高为16.5 kN/m。

（2）采用方案一时，土工格栅在2 m高处受力最大，达84.7 kN/m，而在4高处，最大受力为57.5 kN/m。

（3）6 m高处的土工格栅承载能力相对下两层更差，但总体优于方案三。从总体上讲，采用“开挖台阶+土工格栅加筋+锚杆加固”方案可有效改善土工格栅的承载能力，增强其抗拉性能。

3.3.4 高填方路基加宽的稳定性分析

根据有限元强度折减法可以得到三种加固方案对应的高填方路基加宽安全系数分别为3.047、2.562、2.408，说明采用方案一“开挖台阶+土工格栅加筋+锚杆加固”可有效加固高填方路基，提高新旧路基的整体稳定性[9-10]。

4 结论

综上所述，如何在新旧路基之间进行可靠衔接，防止新旧路基之间产生差异沉降是目前高速公路路基加宽施工中的重要技术问题。常规施工方法是开挖台阶后铺设一层土工格栅，该文提出在开挖台阶后，用锚杆对边坡进行加固，再将锚固中的钢筋与土工格栅结合，使其与旧路基形成一体，然后利用有限元分析工具模拟高速公路高填方路基的加固处理过程及效果，有效防止旧地基上的土工格栅滑移，使其更好地起到加固作用，确保新旧路基结构的整体稳定性。