高速公路拓宽工程路基差异沉降及控制技术解析

杨先开

摘 要：高速公路拓宽工程中，路面纵向裂缝的防止是一个急需解决的问题，而解决此问题的关键就是新老路基差异沉降控制标准的确定。应用数值分析方法建立高速公路拓宽路基沉降模型，考虑路面结构材料的抗拉强度和疲劳特性计算新老路基差异沉降的控制标准，结果表明，当反坡率超过0.62%时路面材料发生劈裂破坏，当反坡率超过0.16%时路面发生疲劳破坏，综合考虑二者的作用得出新老路基差异沉降的控制标准反坡率为0.44%。

关键词：高速公路；拓宽路基；数值分析；沉降控制标准

软土地区的高速公路拓宽工程中，由于新老路基结合不良、软土地基工后沉降等原因导致路面纵向裂缝、错台、道路横坡突变甚至新路基整体滑塌等病害，从而使高速公路本应具有的高速性、快捷性、畅通性的优势大打折扣，因此开展拓宽路基下软土地基沉降的准确计算和新老路基差异沉降控制标准的确定就变得很有必要[1-5]。在此应用ADINA有限元软件建立路基沉降模型，并对路面结构层内应力进行计算，分别从路面材料的劈裂破坏和疲劳破坏两个方面分析，得出新老路基差异沉降的控制标准值，其结果对高速公路拓宽工程的设计理论和施工组织起到借鉴作用。

1 拓宽路基模型建立

数值分析模型中假设路基有足够的长度，故采用平面应变模型来模拟新老路基的应力和变形特征，并以路基中心线为轴，取对称道路的一半进行分析，计算中地基和路基土体均采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，应用四边形等参单元进行非线性静力分析。老路基下地基的固结变形视为已经完成，初始应力场由地基土和老路基土的自重形成，并将初始位移回位归零。

2 差异沉降控制标准确定

2.1 路面结构层内应力分析

利用matlab软件对上述高速公路拓宽路基有限元模型的结果进行处理，拟合出路基表面沉降与距离原有路基中心线的水平位移的关系表达式，并将此曲线作为边界条件直接施加到底基层底面，从而建立差异沉降作用下路面结构层应力响应的计算模型。本文以反坡率λ=s/L作为新老路基差异沉降的控制标准，其中s表示新老路基的差异沉降，L表示路基顶面最大沉降点到老路基中心线之间的水平距离。现将路基顶面最大沉降量控制在2～20cm的范围内分别进行计算，得到各结构层附加应力值。路面各结构层内的附加应力均随新老路基差异沉降的增大呈现线性增长的趋势。面层基本处于受拉状态，其采用中粒式沥青混凝土，该材料的劈裂强度为1.0MPa；半刚性基层和底基层材料选用水泥稳定级配碎石，劈裂强度为0.6MPa，由于沥青混凝土材料柔性较好，它可以承受较大的变形而不致引起路面层的破坏，故路面结构中应由抗拉强度较低的基层材料是否发生破坏来确定新老路基的差异沉降。经过计算当反坡率达到0.62%时，基层顶面的附加拉应力值达到0.61MPa，超过了水泥稳定级配碎石材料材料的劈裂抗拉强度，基层发生破坏。

2.2 路面材料疲劳破坏分析

沥青路面在使用后期，通常用路面材料的容许拉应力来表示结构层抵抗弯拉的能力，由于新老路基的差异沉降会在路面结构层内引起附加拉应力，当其值大于路面材料的容许拉应力时，沥青路面就会产生裂缝。通过路面结构设计参数进行计算得出沥青面层材料的容许拉应力为0.38MPa，基层材料的容许拉应力为0.26MPa。由计算得出，当反坡率超过0.16%，基层底面的附加拉应力大于其容许拉应力，路面将因疲劳而产生开裂破坏。

2.3 差异沉降控制标准

在确定新老路基差异沉降的控制指标时，应综合考虑路面结构层内劈裂破坏和路面材料疲劳破坏的作用，现取路面材料疲劳破坏时确定的指标权重为4，材料劈裂破坏时确定的指标权重为6，最终得出新老路基沉降的控制指标反坡率为0.44%。

3 高速公路拓寬路基差异沉降以及控制的关键技术

3.1强化软弱路基的处理

拓展路基竣工后，在所有引发路基沉降的因素中，地基的沉降的比例相对较大，尤其是建立在软弱土体上的路段。在对软弱土体进行处理的过程中，一定要根据当地的相关地质资料以及道路本身的具体情况，制定出科学有效地设计施工方案，以便于降低路基竣工后的沉降量。本文所提到的软弱路基的处理方法主要有以下3种：复合地基法、排水固结法、浅层换填法。

以北方的某高速公路为例，在对扩建路段的路基进行处理时，根据各个路段的环境条件、材料、施工机具、水文环境、地质条件以及路堤高度的不同，在对路基进行处理时，主要使用了粉喷桩、塑料排水板、土工织物、砂砾垫层等方法来对其进行综合处理。

3.1.1设计方案

①一般路段采用换填石渣处理，其厚度为40或70厘米。

②路线较长处采用土工织物+塑料排水板+砂砾（其厚度为70厘米）。

③其它路段采用粉喷桩+石渣（其厚度为70厘米）。

3.1.2施工方法

①石渣处理：当换填的石渣厚度为40厘米时，可以对路基进行一次性铺筑，且石渣的压碎值应小于或等于20MPa，粒径应小于或等于20厘米。当其厚度为70厘米时，则必须分两层来进行铺筑。

②粉喷桩+石渣：在使用该方法来对路基进行处理时，首先要对待建场地进行平整，然后测定出各个粉喷桩的位置，最终由钻机对其进行打桩成型。

③塑料排水板+砂砾：在事先确定好的位置使用插板机来对排水板进行安插，在铺设土工织物时，一定要确保其平整度，其搭接的宽度应以60厘米为宜，其伸出长度最好能够到达上层砂砾的顶面上。

3.2路基填料的控制

在对高速公路进行拓宽施工的过程中，基本上需要维持该路段的正常交通，因此，在施工的过程中原有道路的运输量依然较大，这就使得施工过程中的工期要求较紧。为了使工程建设能够在预期时间内保质保量的完成，就必须对换填材料的质量进行严格的控制。此外还必须使用冲击式的压路机来对土体进行碾压，降低土粒之间的缝隙，强化路基的压实度，以便于降低路基的沉降量。在对高速公路进行填筑的过程中，最好选择山皮土、砂砾土以及碎石土等强度相对较高的填料来对路基进行换填。

3.3强化路基拓宽的压实度

在对路基进行压实的过程中，最常用的方法有冲击力碾压和一般碾压这两种方式。当路基的含水量与道路建设过程中的要求含水量比较接近时，碾压的顺序应从路基的外侧向内侧碾压。每碾压4层完成后，再对其进行冲击碾压，同时还必须适当的增加新老路基结合处的碾压次数。

为了提高新老路基拓宽处的稳定性和强度，对于原有路基的边坡最好采用多层台阶式开挖的方式来进行衔接。在对该高速公路进行施工的过程中，每个台阶的宽度为150厘米，高度为80厘米，台阶的开挖与路基的填筑基本上是同步进行的。如果台阶侧面出现塌落、松散且不能进行直立开挖时，则将其换为宽45厘米，高30厘米的小台阶开挖。

3.4完善路面的排水系统

在对原有高速公路进行拓宽施工的过程中，为了降低雨雪水对道路质量的影响，就必须做好强化路面水的处理。路面排水系统的完善可以有效地降低路面出现水害的的几率，建设路面排水系统的主要措施为在新路基顶部每隔20―50米设置一条横向碎石盲沟，使其与路基拓宽处的纵向盲沟相连，这种排水方式对于混凝土路面的拓宽施工尤为重要。此外，还可以在道路的中央设置分隔带，并在其中设置相应的防水层，在路基坡度相对较低处将其引出路基。

4 结束语

高速公路的改建、拓宽已经成为了我国道路建设过程中的主要发展趋势。在对原有高速公路进行拓宽施工的过程中，不仅要将道路建设对交通的影响度降到最低，做好相应的安全防护工作，而且还必须对路基拓宽处进行适当的处理，尽量在不破坏原有公路结构的情况下，确保工程的施工质量以及工期均能达到设计方案的相关要求。

参考文献

[1]马豪豪.基于拓宽路面附加变形的地基差异沉降控制标准[J].长安大学学报，2013（33）.

[2]翁效林. 拓宽路基下软土地基工后沉降预测[J].长安大学学报，2011（01）.

[3]张军辉.软土地基上高速公路双侧加宽工程的数值分析[J].公路交通科技，2009（03）.