公路填土路基扩宽控制技术研究

罗凤伟

(黔南州航务发展中心 黔南 558000)

引言

截至2019年末，全国公路总里程达501.25万公里，公路密度52.21公里/百平方公里，载货汽车运输量13587.00万吨位。随着运输量逐年提升，限于早期公路建设的工艺水平、规划理念等，一些公路运力难以满足经济发展的需求。对既有公路改、扩建，提高公路等级，增加运输能力，在实际工程中具有较强可操作性和经济性。而新、旧路基受材料、工艺和环境等诸多因素影响，路基易产生不均匀变形，引起路面纵向裂缝乃至失稳影响交通。

1 扩宽路基变形理论

依据扩宽路基沉降理论，原路基及其下部地基在自重和长期车辆荷载作用下，因土颗粒之间的孔隙逐渐压缩完成固结；在扩宽路基自重和车辆荷载附加应力作用下，原路基发生二次压缩较小变形[1]。旧路基固结早已完成，新增荷载产生的沉降小，新建扩宽路基在施工期和运营期受材料自重和车辆荷载作用，固结沉降直至稳定，产生远大于旧路基的沉降量[2]，沿道路中线向路肩方向的竖向变形先增大后减小，最终呈现出一种“漏斗”的变形状态[3-6]。从力学角度，新旧路基接合处，填筑材料没有足够的黏聚力，扩宽路基在自重和车辆荷载作用下，产生的下滑力超过接合面之间的抗滑力，如图1所示。最终在接合面产生剪切破坏，产生路面顶部纵向开裂和基层顶部弯拉开裂等现象。

图1 路基接合面受力示意图

2 扩宽路基变形控制

扩宽路基面临的首要问题是新旧路基的差异沉降，引起扩宽路基不均匀沉降的因素有填筑材料物理性质、回填压实度、含水率、施工工艺、抗滑移措施、地基处理等几个方面，可依据工况采用恰当的防治措施。

2.1 采用合适路基填筑材料

郑鹏飞[7]通过单轴固结试验研究了洛川剖面各土层的压缩特性,指出土体的压缩模量随压实度的增加而增大,压缩系数则随压实度的增加而减小，且受含水率影响显著。王飞[1]指出扩宽路基压实度应比新建路基压实度提高1个百分点，分层碾压填筑后，再用冲击式压路机增强补压，以提高压实度。离心试验研究表明，提高压实度可减小路堤本身沉降，但并不能有效控制扩宽路基的差异沉降，在素土路基中增加一定的粘合剂，可一定程度上提高路基模量，降低路基的沉降，并改善差异沉降[8]。涂慕溪等[9]对比分析三种路基材料填筑高度对路基模量和沉降量的影响时发现,采用较重路堤比较轻路堤重力增大8倍,但其弹性模量比并未发生较大变化。

常见的轻质路基填料有粉煤灰、矿渣、轻质土或EPS等，其密度约为普通土的1/3～1/10，作为路基填料时，可有效降低路基顶面沉降，最大减少路基顶面沉降约20%[10]。泡沫轻质土受水固比影响，无侧限抗压强度可达到3370kPa，湿密度仅为0.718g/cm3，可有效降低填筑材料的自重[11]。

表1 几种常用建材的容重(kN/m3)

杨琪[12]采用UDEC研究气泡轻质土路基和原有路基之间的不连续性。结果表明，随着路面荷载增加，旧路基内部塑性变形增大，并在路基中线最终出现塑性屈服；轻质土路基底部出现局部拉伸破坏，并最终在旧路基出现塑性破坏后发生屈服。

EPS材料质量轻，在路基处理工程中广泛应用，由于EPS颗粒之间没有黏聚力，需要加入一定量的粘合剂[13]。裴振伟等[14]指出 EPS颗粒体积占比每增加10%，轻量土重度减小约2g/cm3，但不得超过2.01%，否则将会增加土体制备的困难；无侧限抗压强度试验表明，同条件素土样抗压强度为79.98kPa，而EPS颗粒混合轻质土的抗压强度范围为103.2～1359.0kPa，抗压强度明显优于素土材料。

图2 轻质路基填料作用

2.2 降低新旧路基界面滑移

新老路基之间的结合处剪应力大，且存在应力集中，当剪应力大于接合面的抗剪强度时，将出现路基边坡失稳破坏。通常采用削坡、构造台阶和布设土工材料等，以降低接合面滑动剪切力，增加界面的抗滑力和提升新旧路整体变形协调性。

胡志强[3]通过数值方法分析了1∶0.8～1∶1.5四种情况扩宽路基的竖向及水平向位移。结果表明，削坡使得原路基应力场发生改变，导致路基竖向位移有所增大，但由于削坡能促进新旧路基结合使得水平向的位移有所减小，甚至出现负位移，利于提升路基稳定性。

王飞[1]对不同台阶尺寸对沉降差异的影响分析，得出最优台阶尺寸为宽0.9～1.2m，高0.6～0.8m,并建议台阶向内保持2%～4%的倾斜量。夏英志等[15]从挖方量和原路基的稳定性考虑，建议构造台阶的高宽比在1∶2，台阶开挖高度为0.6～1.0m，且不要超过2.5m。

在土体中增加土工格栅(表2)，可形成复合体共同承担外力作用，提高路基稳定性，在高速公路改扩建工程中广泛应用[3]。有限元分析结果表明，采用土工格栅后能有效改善路基的剪应力分布，提高路基的稳定性，路基沉降同比会减低约10%[3,16]。实测结果表明，竣工后3到16个月内，扩宽部位的水平位移呈现出明显的非线性特征，土工格栅起到了很好的控制变形的作用[17]。

表2 采用土工格栅的公路改扩建工程

泡沫轻质土掺合土工材料可形成一种复合加筋泡沫轻质土，当加筋量约为0.75%时，施工期基底沉降量可比普通填土路基减低55.1%。加筋量增加至1.5%时，路基坡脚位移降低79%，明显改善了施工中产生的沉降和提高了路基的稳定性[18]。

3 结论

在长期荷载作用下，旧路基固结沉降变形已经完成，扩宽路基与旧路基存在不同步变形的差异沉降，导致路面开裂和失稳。在素土中拌合一定比例的粘合剂可提高路基变形模量，改善差异沉降。

轻质路基材料自重轻，降低了作用于基础底面的附加荷载，同时减小了扩宽部分的下滑作用力，且掺合了粘合剂的轻质土自身的抗变形能力得到提升，使得协同变形能力得到提高，可有效改善路基变形。

合理设置新旧路基接合面构造，一方面有助于旧路基的施工稳定性，提高新旧路基之间的抗剪强度；另一方面土体加筋则增加了土体纵、横向的变形协调能力，使得整体协同受力的整体性得到加强，新旧两部分路基的变形得到相互的约束。