如何對軟土地基上高速公路路基加寬改造

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作者:楊翠蓉文章來源:華中建筑 2017年10月

近年來,隨著國民經濟的迅速發展,我國高速公路的建設十分迅猛,通車里程已近2萬km。在已經建成使用的高速公路中,由于受建設時社會經濟水平、技術水平和建設思想的制約,有相當一部分已不能適應交通量增長和社會發展的要求,有的還出現了比較嚴重的路面病害。從長遠和經濟的角度講,高速公路的改擴建工程將是我國本世紀初公路建設所面臨的非常重要和必須解決的問題。高速公路的改擴建在我國還是一個剛剛開始的新生事物,如何進行改建沒有成熟的經驗可循,從設計到施工,規范涉及不多,同時高速公路的改擴建約束條件多,用新建工程的思路和設計方法不能解決改擴建的問題。另外,在已完成的改擴建工程中也存在著一些技術問題,工程營運效果還有待時間的考驗。因而對高速公路改擴建工程的設計進行研究具有非常重要的現實意義和前瞻性。

在我國尤其是東部沿海地區已經建成使用的高速公路中,有相當一部分是建在軟土地基上。對這些高速公路的改擴建就必然涉及到新老公路的融合貫通、新老橋臺的拼接組合和新老路堤的相互影響等問題。主要表現在路基沉降和整體穩定兩個方面:(1)原有路基經過多年運營,沉降已基本完成,在其邊坡上進行擴建填筑,新填的土方和運營后的汽車荷載必然會引起既有路基的附加沉降,并且在新老路基之間產生相對過大的差異沉降,進而會引起既有路基變形,嚴重時則出現路基拉裂,下沉過速等病害,將會對高速公路的正常營運帶來難以估量的不良后果;(2)新老路基之間如何保證緊密銜接形成整體也是路基加寬工程成功與否的關鍵。因此如何分析計算新老路基的差異沉降,提出適合加寬路基的地基處理方法和新老路基的銜接技術,是高速公路加寬改建迫切需要解決的工程問題。

1.我國高速公路改擴建的現狀

我國已建成高速公路大部分為雙向四車道,隨著經濟的發展,某些高速公路將不能滿足交通要求,需擴大通行能力,增加行車道數。根據國外經驗及我國未來經濟發展的需要,我國主要經濟干線走廊帶內的高速公路,遠期將需要十條左右車道的通行能力。那么已有四車道如何改建,是老路加寬還是另辟新線,很有研究價值。由于近距離新建高速公路,投資規模大,占用土地多,且容易造成路網分布不均,因而在現階段,我國高速公路的擴建大多采用老路加寬的方案。老路加寬方案就是在已有高速公路的兩側或一側加寬幾條車道的建設方案,此外還可以考慮采用高架(如中央高架或兩側高架)和中間分隔帶預留等方案。

另外,高速公路的拼接段也與高速公路加寬存在類似的問題。

1997年8月,我國首條高速公路加寬擴建工程廣佛高速公路擴建工程動工,之后先后有海南環島東線、滬杭甬、沈大等高速公路相繼局部或全線擴建加寬。作為貫穿長江三角洲的交通大動脈,滬寧高速公路的加寬也已展開。

2.1適合加寬工程的主要軟基處理方法

加寬路基軟土地基處理要根據不同路段的地質情況、路基填筑高度、結構物類型等因素,確定合理的處理形式。加寬路基的軟基處理最好以復合地基法為首選,可以通過合理布置樁長與樁距來協調不同路段的沉降差異。適合高速公路加寬工程的主要軟基處理

2.2軟基處理的設計與施工措施

高速公路擴建相對新線軟基處理措施對路基穩定和工后沉降提出了更高的要求,再加上施工場地有限,施工周期緊等因素,因而在設計與施工中應采取相應的措施以滿足加寬工程的特殊要求。

(1)路基填土往往位于老路基邊坡上,因而必須對老路基邊坡按一定坡度削坡,削坡必須滿足施工期間的路基穩定要求。

(2)高速公路加寬最好采用快速加固方法,以加快施工周期,降低施工期間維持交通正常運營的費用。

(3)采用粉噴樁等復合地基處理時,樁體布置可采用里密外疏的方式,以節省工程量。

(4)施工期間要注意排水問題,防止開挖邊坡有水,引發老路基坍塌。

(5)在做試驗段的同時,還須在施工過程中進行沉降和穩定動態觀測,控制填筑速率。

3新老路基結合部的處治技術

改擴建工程設計中最主要問題是如何處理填方段新老路基之間的銜接,即如何處理新老路堤的不均勻沉降。要采取有效的技術措施保證加寬路基與舊路基的良好銜接,使其成為一個整體,避免或減少橫向錯臺和縱向裂縫。

3.1土工合成材料的應用

在高速公路加寬工程中,常用的土工合成材料就是土工格柵。土工格柵對土的加固機理存在于格柵與土之間的相互作用。在高速公路加寬工程新老路基結合部采用土工格柵可以有效預防差異沉降的產生,這是因為:第一,由于土工格柵與土接觸面的摩擦作用,降低了加寬處土的垂直應力,使土體承載能力得以提高,減少了不均勻沉降;第二,土工格柵對土體具有鎖定作用,使土體抗剪強度得到充分的發揮,約束了土體的側向變形;第三,由于水平鋪設的土工格柵具有彈性,在反復荷載的作用下,不會產生變形的積累;第四,土工格柵具有一定的張力和延展性,能使路基與土工格柵形成一個連續柔性整體結構。通常將原有路基邊坡挖成一定寬度的內傾臺階后,沿道路縱向鋪筑一定幅寬的土工格柵,使得土工格柵一半位于原有路基上,另一半位于新填路基上。軟基段填方路基,在重點解決軟基處理方案后,可按一般路基段的拼接方法實施,同時為了減少新老路基間的差異沉降,宜多采用輕質填料、加大格柵用量,必要時還可采取向老路基中植人筋帶的方法加強新老路基間的連接。根據土工合成材料鋪設位置的不同,常見的處治措施有以下3種:

(1)結合路基填土高度先按一定坡度開挖老路基邊坡,在路基下部鋪設一層土工布和一層土工格柵,中間填砂和風化土。土工布能使應力均勻,土工格柵類似鋼筋網的作用。然后對邊坡進行臺階式開挖,最后進行新路基的填土壓實。廣佛高速公路加寬采用此種方法。

(2)加寬后的路堤邊坡坡度較原有邊坡提高一檔,當填方高度較高時,在中間設一道平臺。將原高速公路的邊坡挖成內傾臺階,臺階挖至與原地面齊平。在基底開始鋪設一層土工格柵,以后每個臺階頂面均鋪設一層土工格柵。沈大高速公路加寬和錫澄高速與滬寧高速的直接拼接段采用了此種方法。

(3)將老路堤邊坡開挖成臺階狀,臺階高度控制在80cm左右,并在路基頂面鋪設一層土工格柵?;揀咚俟防┙ú捎么酥址椒╨2j。

3.2地基處理措施

在軟土地基上的新老路基結合部,結合路基的拼

接措施,還應對結合部下的軟土地基進行重點處理??梢圓捎貿卦ぱ?、加密加長粉噴樁、旋噴樁、路堤樁(混凝土管樁)和隔離墻(定噴樁)等方法,通過間距和打設深度的分級過渡處理,沿路基橫向形成漸變段,能較理想地(1)邊坡削坡:由于削坡坡度較陡,為了確保老路基安全,老路基邊坡可以分2次開挖,第一次比第二次坡度稍大,并邊開挖邊做好防護工作。每次開挖完畢后,平整壓實,進行復合地基處理施工。

(2)臺階開挖:按照要求開挖內傾臺階,臺階數量盡可能多,為新老路基的銜接提供更多接觸面,更利于新老路基的接合。在部分填方較高的路段采取逐步開挖的方式施工。

(3)防水措施:開挖老路基邊坡以后要截斷路面水,特別是超高路段,防止雨水直接沖刷邊坡,在開挖邊坡上鋪一層防水膠紙或塑料布,以防止雨水滲人。迅速排除施工場地積水,斷絕外來水,軟基施工期間硬路肩禁止行車,以確保老路基安全。

(4)土工格柵的鋪設:土工格柵的鋪設采用橫向鋪設,關鍵是保證其連續性,不出現斷裂、彎扭折皺、松弛,又要避免過量拉伸。材料應堆放在陰涼處,嚴禁暴曬和雨淋,以免其性能老化。軟基處理段與未處理段的交接處設置過渡銜接,并保證必要的搭接長度。在路槽縱向鋪設跨施工縫的土工格柵,加強新老路基的橫向聯系,減少裂縫反射。

(5)路基填筑:根據區域的料源情況合理選擇填料,填料的物理力學特性要與老路基填料相近,嚴格控制新老路基結合帶的壓實,對新老路基結合帶(大型壓路機的壓實施工死角)用打夯機分薄層填筑壓實。國外針對軟土路基上加寬路基填筑施工提出了間隙法(Gap-method)J,這是一種二步填筑法,先在距離老路基一定距離外填筑部分新路基,新老路基之間留有一定間隙(Gap),然后再填筑新老路基之間的間隙。由于在第一階段新路基填土自重作用下的固結會使新老路基間隙下的軟土強度和水平應力提高,因而可以有效減小第二階段填土對老路基產生的附加變形,而且這種分步填筑法要比一次性整體填筑對老路基產生的變形要小。

4加寬工程的理論分析計算

目前,國外對于軟土地基上高速公路加寬工程的理論研究盡管起步較早,但大多建立在離心模型試驗和有限元模擬分析的基礎之上。1999年美國普渡大學的chardJ.Deschamps等人對一般加寬路基進行了研究,提出了加寬路基的設計指南和施工步驟,但并未涉及軟土地基上路基加寬的問題。國內由于高速公路加寬工程剛剛起步,相關的理論研究更是存在著不足,需要作深人系統的研究。

4.1分析計算的內容

考慮路基不同的應力水平、固結程度和地基處理方法等因素,計算加寬新路基地基處理前后的路基應力應變關系以及由其引起的老路基附加沉降、新老路基差異沉降;新老路基結合部在不同處治措施下的應力應變特性以及對減小新老路基差異沉降的影響;新老路基的整體穩定性分析;預測通車后交通荷載作用下新老路基的工后沉降及差異沉降。

4.2反分析法

影響路基沉降定量分析的主要因素之一就是地基

參數的可靠性,參數誤差過大勢必影響最后的計算結果。對于天然的軟土地基,由于離散性和不均勻性,參數的室內實驗又受到尺寸效應的影響,不能在宏觀上完整地反映特定地點和特定條件下的力學性質。對于路基加寬工程,可以利用老路基的現場實測資料,采用參數反分析的方法來確定地基參數,以綜合反映地基的基本特性。反分析方法可以有效地反演地基參數,從而為解決計算參數的問題提供一個新的途徑。利用反分析的參數,可以利用常規方法或有限元方法計算加寬路基的應力應變特性,預測工后沉降。反分析法的基礎數據來自工程現場實測信息,所得結果更具有實用性和可靠性。在錫澄高速公路與滬寧高速公路的拼接工程中,地基參數反分析的方法就得到了較好的應用。

5存在的問題與建議

5.1存在的問題

在軟基上進行高速公路的加寬在國內還剛剛開始,由于拓寬荷載的形式以及理論計算和分析模式的復雜性,因而在設計和施工方面還存在著不少問題,如加寬路基處新老路基的差異沉降的控制值,目前尚無明確的定論,選用不同的值將直接影響到軟基處理和路堤填筑的難度;加寬路基與構筑物的連接處的地基處理與沉降控制問題;新老路基應力應變分析的計算模型選取問題;滲流場對加寬路基變形及整體穩定的影響;加寬路基施工對沿線周圍環境的影響;由于要維持道路正常運營,施工組織如何高效合理的安排等,都有待于進行深人而系統的研究。

5.2幾點建議

(1)施工前對原有高速公路的地質勘察資料、設計、施工、竣工文件以及營運過程的監測資料等進行研究,并補充原位勘探,詳細摸清場地地質變化情況。據此可以分析原有路基的地基處理效果,驗證設計計算的正確性,評估地基處理方法的適宜性,確保施工安全穩定。

(2)高速公路加寬工程軟基處理最好采用快速固結方法,以加快施工周期,降低施工期間維持交通正常營運的費用。復合地基法是可行的方法。

(3)考慮經濟性和施工方便,在新老路基結合部鋪設土工合成材料可以起到較好的銜接作用,能有效的減小新老路基的差異沉降。

(4)施工過程中要進行沉降和穩定動態觀測,控制填筑速率。

(5)施工期間要注意排水問題,防止開挖邊坡有水,出現老路基坍塌。

(6)模型試驗和非線性有限元法以及現場測試相結合,可以較好的分析軟土地基上高速公路加寬工程的力學特性和變形特性。

(瀏陽之窗網)
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