高速公路改扩建技术的应用研究

陶吉访

(广西桂海高速公路有限公司,广西 南宁 530022)

0 引言

近些年来,随着我国交通工程建设的不断推进,高速公路的总里程数迅速增加。但与此同时,对于较早修建的高速公路,由于当时经济水平以及技术限制,路宽或其他方面已经无法满足现在的要求,因此需要考虑在原有高速公路的基础上进行扩建。在此背景下,高速公路改扩建技术得到快速发展。高速公路改扩建主要是指为提高高速公路现有的技术等级,对现有高速公路进行大规模改造[1]。现有的高速公路改扩建技术关键在于控制改扩建之后高速公路的工程质量,主要包括扩建后路基的稳定性以及路基的不均匀沉降等方面。路基的稳定性是路基设计的基本要求,对于高速公路的改扩建,关键在于对新老路基的连接处这一薄弱位置的稳定性进行控制。新老路基不均匀沉降也是导致改扩建后高速公路出现质量问题的重要因素,不均匀沉降会产生应力集中效应,导致路面裂缝的出现。目前国内外学者在关于高速公路改扩建技术的研究上已经取得了较多成果。王海燕等[2]改进了传统的分层总和法,提出了基于路基自身压缩这一理论的分层总和法,这一方法与有限元分析软件得到的结果相近,且计算方法更为简单。李默涵[3]研究了软土路基加宽处理技术,得到一种新的计算方法,可近似模拟加宽路基扩宽部分的沉降。苗贵华[4]基于离心加载这一方法,通过数值计算模拟了高速公路改扩建,得到在扩建工程中新老路面交接位置更易开裂这一结论。毕海江等[5]基于实际高速公路改扩建工程,采用开挖换填、加固挡土墙等多种工程措施,提高扩宽后路基的整体稳定性。本文对目前高速公路改扩建工程可能遇到的问题以及已有的研究成果进行总结,对路基沉降进行了研究,同时以柳州(鹿寨)至南宁高速公路改扩建工程为例,研究了高速公路新老路基连接处的处理技术,以期为高速公路改扩建技术的进一步深入研究提供借鉴。

1 高速公路改扩建工程中路基不均匀沉降的原因分析及路基拼装技术

1.1 路基不均匀沉降原因分析

在高速公路改扩建工程中,新老路基的不均匀沉降是影响工程质量最主要的因素之一,正确认识其产生原因,计算不均匀沉降的大小,是控制新老路基不均匀沉降的前提。根据已有的研究,导致新老路基不均匀沉降的原因主要有三个,即新老路基之间的自身变形差异,新老路基的基础固结程度差异以及新老路基之间的结合强度不足。

1.1.1 新老路基的自身变形差异

在最初高速公路设计与修建过程中,大多未考虑后期可能进行的高速公路改扩建工程,因此在进行新路基扩宽时条件受限,新路基的填土压实度往往达不到要求,导致在运营过程中产生较大变形。而对于老路基来说,因其长期承受自重以及车辆荷载,变形相对于新路基非常小,新老路基之间的自身变形差异就会导致路基整体发生不均匀沉降。

1.1.2 新老路基的固结和沉降差异

当路基土为软土时,老路基的固结度比新路基高很多,新路基的扩宽会产生新的附加应力,导致新路基的沉降比老路基大很多,从而产生路基的不均匀沉降。

1.1.3 扩建路基结合强度不足

新路基与老路基的物理力学性质不一致,当二者共同受力时会发生变形不协调,当新老路基交接处的结合强度不足时,新路基就会沿接触面发生下滑,导致路基的不均匀沉降,甚至发生路基整体的破坏。

1.2 路基拼装技术

高速公路改扩建工程中最易出现的问题就是新老路基之间的不均匀沉降使新老路基接触位置发生应力集中和错位,导致路基破坏。因此处理好新老路基之间的接触位置是决定工程质量的重中之重。目前针对这一问题能够采取的措施主要有以下三种:

(1)清表,即在扩建之前,将老路基的表层土挖除30 cm。

(2)填筑新路基之前在老路基上面挖台阶以增大新老路基之间的接触,保证其具有更好的整体性。

(3)铺设土工格栅,加强新老路基之间的连接,使其荷载分布更加均匀,提高路基的整体性。

2 高速公路改扩建技术在实际工程中的应用

2.1 工程概况

柳州(鹿寨)至南宁高速公路改扩建工程起讫桩号为K1220+675～K1469+300,全线改扩建里程为248.698 km,共设互通式立交15处,服务区6处、停车区3处、特大桥3座。初步设计批复概算为200.3亿元,全线采用八车道高速公路标准改扩建。其中起点至静兰段40.144 km,设计速度为100 km/h,路基拓宽至41 m;静兰至终点段208.554 km,设计速度为120 km/h,两侧拼宽及新建路段路基宽度为42 m,单侧分离加宽段新建路基宽度为20.75 m。新建桥涵设计汽车荷载采用公路-Ⅰ级,其他技术指标按《公路工程技术标准》(JTG B01-2003)执行。本文重点研究该项目中路基扩宽技术。

2.2 扩宽路基的压实

2.2.1 路基压实

路基压实是保证路基正常工作的重要基础,路堑、路堤以及基底都需要进行压实,其主要目的是减小孔隙比,提高路基土体的密实度,增加粘聚力,减小路基的沉降。路基的压实本质上是破坏土体原有结构,使土颗粒重新排列分布,达到一种更加密实的新的平衡状态。此时土体强度得到了很大提高,也大大减小了路基服役期间的沉降量。

2.2.2 碾压机具和方法

路基压实采用的机械主要分为夯实型和振动型,其中夯实式的设备对路基进行压实的效果最好。随着压实时间的增加,土体密度越高,一般通过机械对路基进行碾压6次以内时,随着碾压次数的增大,土体密实度明显增大;6～10次时,密实度增大速率明显下降;超过10次后,随着碾压次数的增加,土体密实度基本不再增长。同时,还要注意压实的限度,过度压实可能会导致土体发生剪切破坏。

2.3 新老路基联合工作状态的数值模拟分析

本文通过ABAQUS有限元分析软件建立数值模型,假设土体材料为各向同性、连续均匀的弹塑性介质,本构模型选取线弹性模型和摩尔-库仑模型[6],使模型先在自重条件下实现地应力平衡,再对其施加与车辆荷载等效的均布静载和振动荷载,监测路基的变形情况。数值模型如图1所示。

图1 扩建后的路基数值模型示意图

对新老路基的竖向位移和水平位移进行监测,得到了沿路基表面方向和沿路基的竖向位移分布曲线,如图2和图3所示。

图2 路基表面沉降变化曲线图

如图2所示,在施加车辆荷载后,由于新老路基的材料差异,其变形模量也存在较大差异。老路基的沉降值变化较小,变化范围基本在0.25～0.60 cm浮动,但新路基部分沉降明显,基本在0.80～1.20 cm,且新老路基接触位置为沉降值变化的拐点,在新路基的路肩处沉降量略有减小。

分别监测了新老路基中心线位置不同深度处的沉降量,如图3所示。

图3 路基深度方向沉降变化曲线图

如图3所示,路基在不同深度的沉降曲线大致沿线性分布。其中,沉降量的最大值出现在路基表面位置,随着深度变大,沉降值逐渐减小。在相同深度处,新路基的沉降值均大于老路基,但随着深度不断增加,二者的沉降差逐渐减小。同时,从二者曲线斜率也可以看出,新路基的沉降要比老路基明显很多。

计算得到了沿路基表面方向和沿新路基边坡高度的水平位移分布曲线,如图4和图5所示。

图4 路基表面水平位移曲线图

如图4所示,沿路基表面的水平位移曲线大致呈“倒钩”状。在老路基部分,水平位移近似线性增加,在新老路基接触位置达到水平位移最大值,约为0.38 cm,在新路基处水平位移开始减小,当到达新路基路肩位置,水平位移减小至0.1 cm。

图5 新路基边坡水平位移曲线图

如图5所示,监测了沿新路基边坡不同高度处的水平位移量,水平位移沿新路基边坡高度先增大后减小,且上下水平位移基本呈现对称分布,当距离路面2.5 m位置时,水平位移达到最大值,约为0.4 cm。因此,在进行路基扩宽工程时,要特别注意边坡坡腰处的加固,减小其水平变形。

3 结语

本文对目前高速公路改扩建工程可能遇到的问题以及已有的研究成果进行了总结,对路基沉降进行了研究,同时以柳州(鹿寨)至南宁高速公路改扩建工程为例,研究了高速公路新老路基连接处的处理技术,得到以下结论:

(1)高速公路改扩建工程中最可能遇到的问题主要是新老路基不均匀沉降。导致新老路基不均匀沉降的原因主要有三个,即新老路基之间的自身变形差异、新老路基的基础固结程度差异以及新老路基之间的结合强度不足。

(2)处理新老路基接触位置的措施主要有三种:清表;填筑新路基之前在老路基上面挖台阶以增大新老路基之间的接触;铺设土工格栅,加强新老路基之间的连接,提高路基的整体性。

(3)在施加车辆荷载后,老路基的沉降值变化较小,但新路基部分沉降明显,且新老路基接触位置为沉降值变化的拐点。路基在不同深度的沉降曲线大致沿线性分布,沉降量的最大值出现在路基表面位置,随着深度变大,沉降值逐渐减小。在相同深度处,新路基的沉降值均大于老路基,但随着深度不断增加,二者的沉降差逐渐减小。

(4)沿路基表面的水平位移曲线大致呈“倒钩”状,在老路基部分,水平位移近似线性增加,在新老路基接触位置达到水平位移最大值,在新路基处水平位移开始减小。水平位移沿新路基边坡高度先增大后减小,且上下水平位移基本呈现对称分布,在进行路基扩宽工程时,要特别注意边坡坡腰处的加固。