高速公路拓宽改造路基沉降差异处治

黄 振 林

(朔州路桥建设有限责任公司，山西 朔州 036000)

1 概述

伴随某省经济发展能力的快速提升，省内经济发展对交通基础设施建设质量和层次的依赖性日益增长；随着高速公路交通运输压力的不断突出和增长，既有高速公路已经无法满足快速增长的交通量，因此，高等级公路的改扩建升级施工近几年在省内蔚然成风。

经拓宽改造施工后的高速公路同一截面内，填方高度不同位置的新、老路基在外荷载作用下的沉降周期不同，由于原有路基已运行较长时间，路基沉降逐渐趋向于稳定；而新路基在荷载作用下的沉降逐步发展，由于沉降速率及沉降量的差异，导致新旧路基衔接位置出现较大的内应力，衔接位置在应力集中作用下将沿着路基结构沿竖向开裂，最终导致路基结构整体脱空、失稳，影响高速公路路基、路面结构的承载能力、刚度及整体性。

2 高速公路路基拓宽后衔接位置沉降差异问题处治

2.1 高速公路路基拓宽衔接位置竖向开裂问题

在车辆荷载的长期、反复作用下，新老路基衔接位置由于沉降量差异，导致衔接位置出现变形不协调问题，在局部应力集中的影响下，一旦衔接位置的路基抗拉强度无法满足局部应力，将导致路基结构沿竖向开裂；此外，新填筑路基结构在竖向荷载作用下，由于新老路基衔接位置的路基集料相互嵌锁力无法满足填土竖向荷载与自重的合力，新填筑路基容易出现整体的侧向位移，进而引起衔接位置的竖向开裂，两种开裂机制的联合作用下，导致路基开裂、整体脱空、失稳，最终导致承重能力局部甚至完全丧失。

除了通车后的影响外，在拓宽改造施工阶段的影响也不容忽视。为了保证衔接位置新老路基的搭接可靠度，新旧路基搭接位置呈台阶状，由于施工因素影响，开挖台阶并非沿原有路径平顺分布，压实机具在压实施工过程中，难以保证始终作用在台阶搭接位置。且压实机具在压实过程中，作用区域仍旧有25 mm～30 mm范围内无法作用，因此，在新旧路基搭接位置出现结构薄弱层，在后期竣工通车后，将很容易出现破坏。此外，由于省内高速公路路基结构层基本为水稳碎石基层结构，力学特性属于半刚性半柔性基层，由于变形高度较低，在温差作用下将导致路面基层出现不均匀收缩。在温差值为负时，路面基层收缩，由于二者沉降非协调， 造成搭接位置出现应力集中，一旦收缩行为被约束，将诱导出现纵向裂缝，基层开裂反射至路面表面，表现为路面龟裂；温差值变为正时，路面基层收缩裂缝闭合，在温差正负反复循环作用下，最终导致路面病害大规模出现。

2.2 土工合成加固技术在省内高速公路拓宽改造中的应用

近几年来，土工合成加固技术在省内高速公路拓宽改造施工中非常普遍，为了控制新老路基搭接位置的不均匀沉降问题，防止路基纵向裂缝出现和发展，在省内高速公路拓宽改造中常使用到土工合成材料作为加固母材。常用的土工合成材料有土工格栅和土工格室两类。经现场施工实践研究表明，借助土工合成材料进行路基搭接位置加固，能够显著提升拓宽路基的刚度和承载能力，提高新旧路基的变形协调性；此外，土工合成材料自重轻，能够降低拓宽改造后路基的整体自重，降低竖向及侧向变形。

2.2.1常用的土工合成加固材料

常用的土工合成加固材料有土工格栅和土工格室两种。土工格栅由高聚物制成，主体结构为网状，结构具备自重轻、刚度大、抗拉强度高、耐久性良好等诸多优势，土工格栅嵌入到路基内部，能显著提升新旧路基搭接位置的摩擦系数值，提高路基土颗粒之间的相互嵌锁能力；土工格室是在土工格栅基础上发展演变而来，由于土工格室在使用前可以堆叠成任意形状，便于运输，且土工格室可以根据加固面积随意延长，材料的连续性强。在具体使用过程中，可以动态调整材料加筋率和回填土土质，最终形成承载能力和刚度各异的复合材料。图1为土工格室施工现场情况。

2.2.2土工合成材料加固原理及处治效果分析

土工格室侧向与路基土体之间的相互摩擦作用为路基土体提供了可靠的侧向及竖向边界约束，提升了路基搭接位置的竖向承载能力和变形刚度，提高了搭接位置的变形协调能力，削减了同等荷载条件下的沉降变形量。此外，土工格室与路基压实成型后，借助内部空间结构与土体产生横向剪切作用，使得土体结构的抗剪强度得到充分提升。土工格室与格室空间中的路基填筑料相互作用，使得土工格室内的填筑材料承受三维应力作用，最终形成具备高抗压及抗剪强度的复合结构体，能够有效抵抗上部传递来的应力及变形，强化了路基填料与土工格室之间的相互协调变形能力。

通过现场施工项目分析，本着以控制纵向和竖向裂缝为目的，采用土工格室进行加固，其加固效果尤为显著。铺筑土工格室能够显著控制拓宽路基的侧向位移值，且将土工格室安置在路基顶部及底部加固效果尤为明显；且土工格室的铺设位置距离路基顶部的距离与新老路基之间沉降差异降低程度之间呈现明显的正相关关系，若将土工格室铺设在路基上层时，对二者沉降差异的影响较低。在新旧路基搭接位置加铺土工格室能够控制路基的侧向及竖向位移值。在拓宽改造施工中，建议低填土路基可以在路基底层加铺土工格室；对于高填方路基，可以在路基顶部和底部同时加铺土工格室，并在搭接台阶位置也布设土工格室。

3 工程案例分析

3.1 工程概况

本工程项目地处某省西北部，地质类型为典型的黄土丘陵地貌，平均海拔高度在600 m～800 m范围内，地表黄土覆盖厚度约为25 m～40 m之间，由于长期的雨水冲刷和风化侵蚀，地表沟壑发育成熟，沟谷大部呈U字型。为了保证路基结构的承载能力，在线路沿线范围内必须对路基进行合理处置，以提升黄土路基的承载能力和变形刚度。原有标段内(K2000+200～K2005+200)，单幅路基宽度为15.5 m，路面车道单幅宽度为2×7.25 m，现对K2000+200～K2005+200标段进行双侧路基加宽。

3.2 施工工艺及流程

项目施工现场遵循如图2所示的基本流程。

高速公路路基拓宽改造施工路基填筑材料质量应满足JTG F10—2015公路路基施工技术规范；且土工格室必须满足进场抽检合格率指标。根据规范要求对新旧路基结合位置进行台阶开挖，确保台阶加宽值不低于规范推荐值；土工格室铺设之前，应采取专用卡槽固定，并沿线路行进方向展开；回填路基材料时，应遵循由内向外的顺序将其挤压入格室内，并配合机具压实整平，直到压实指标满足规范要求。

4 结语

通过对既有高速公路进行拓宽改造升级，不但能够缓解交通运输压力，还能够压缩投资，缩短施工周期，与交通基础设施建设的循环、可持续发展不谋而合。文章将土工格室加固技术应用在高速公路路基拓宽改造施工中，经施工实践检验，该技术满足拓宽改造路基沉降差异处治要求。