李威
(广西交通设计集团有限公司,广西 南宁 530000)
以往我国在高速公路建设中主要设计为双向4车道或者6车道,在社会经济不断发展的过程中,交通流量也迅速增加,很多高速公路已不能满足新时期交通运输需求,急需加宽改造。而在高速公路加宽改造项目中,新路基面临较大沉降变形问题,此时老路基已基本完成沉降,在改造工程投用后,随着时间的推移新路基和老路基沉降的差异会不断加大。为改善此状况,提出在高速公路改扩建的路基加宽施工中应用锚固加筋技术,即先在老路基边坡上固定锚杆,使锚杆的固定钢筋和土工格栅相互连接,让土工格栅、老路基两者形成相对稳定的整体,尽量减少土工格栅滑动位移,增强加筋效果,并对路基不均匀沉降加以控制。
锚杆锚固系统主要包含3种介质,分别是被锚固岩土体、胶结材料或者灌浆体、锚杆杆体。锚杆杆体和胶结材料的两者界面以及岩土体和胶结材料的两者界面属于不同介质过渡区域,相应区域会较大程度地对锚固系统的承载力产生影响。通过分析锚固技术特点,发现锚固系统承载力的因素主要包括灌浆体强度、岩土体强度、锚孔、锚杆直径、锚固类型及锚固段长度等。在灌浆体和锚杆两者黏结没有受到破坏前,主要由结合力发挥作用,如果灌浆体和锚杆两者出现相对位移,那么连接界面就会受到破坏,此时主要由灌浆体和锚杆两者间的摩擦力发挥作用,所以机械作用是影响表面带螺纹锚杆结合力的关键因素,而且相比于表面光滑的锚杆,此类锚杆具有更高的抗剪承载力。
在新老路基结合部位拼接应用土工格栅,其作用机理主要体现在以下3个方面:①可使路基结合部位的水平应力更低,并能增强土体抗剪强度,使新老路基相互之间的约束力变大,保证在路基加宽之后的结构整体具有更高稳定性。新老路基结合部位的土体会产生水平应力,主要由土工格栅予以承受,有效改善结合部位的应力分布情况,使结合部位的土体具有更高抗剪强度,延缓或避免出现路基裂缝以及滑动破坏情况。②新老路基结合部位的差异沉降会更加均匀。受到土工格栅的加筋作用影响,新老路基具有更高整体性,共同承受荷载土体范围更大,全面抵抗变形,使新老路基顶面所产生的横向沉降差异减小。③新路基填料和土工格栅会产生一定相互作用,对新路基侧向变形予以约束,降低新填路基顺着基底发生滑动破坏的概率,使新加宽路基具有更高稳定性。
结合上述机理表现,可发现在土体和土工格栅两者相互作用力发挥下,能优化结构整体抗拉性能,使新老路基变形问题得到改善。但在实际施工中,土工格栅往往不能充分发挥抗拉性能。为充分发挥土工格栅的优势,使新老路基变形问题得到改善,有必要为其提供强大的锚固力,使其抗拉性能充分发挥出来。高速公路在改扩建项目中加宽路基,可在开挖台阶尺寸不符合格栅锚固长度的时候,联合运用锚固加筋组合结构,提升加筋效果,合理控制新老路基的沉降差异,并有效控制不协调变形,使新老路基具有更好的整体性、稳定性。
广西滨海公路是连接北部湾沿海城市的一条高等级公路,项目路线全长为5.03 km,其中大风江大桥桥长为1 386.00 m,引道长为3 644.00 m。主桥采用(85+2×160+85)m预应力混凝土连续刚构桥,桥长为490 m;引桥均采用预应力混凝土(后张)先简支后连续T梁桥,钦州侧引桥桥跨布置为9×40 m,北海侧引桥桥跨布置为13×40 m,引桥全长为896.00 m。桥梁宽度为33 m,双向6车道,桥梁设计荷载为公路-Ⅰ级,设计时速100km;引道为整体式路基,路基标准宽度为33.50 m,双向6车道,设计时速100 km。经勘查,该项目场地软土分布较广,厚度变化较大,主要分布着水田、虾塘、河床、潮间带及沟谷等低洼地段,以饱和淤泥、淤泥质黏土、粉质黏土为主,多呈流~软塑状,具有承载力低、压缩性高、灵敏度高、易触变、易变形沉降等特点,工程性质差若不采取有效的处理措施,将对公路工程地基稳定和沉降产生不利影响。该项目扩建施工中特采取锚固加筋技术,对高填方加宽路基的不均匀沉降加以控制,以提升施工质量。
在该高速公路扩建期间,通过应用土工合成材料减少新老路基存在的不协调变形问题,必须设置一个坚实的锚固力,以增强其抗拉性能。在高填方路基加宽设计中,若台阶开挖规格达不到格栅锚固长度要求,通过设计加筋锚固组合式结构,以提升加筋效果,缩小新路基和老路基之间的沉降差,并对不协调变形情况加强控制,使加宽路基具有更高的稳定性[1]。
在该扩建工程高填方路基加宽施工中设计锚固加筋组合式结构,关键是要合理确定锚杆拉力设计值。在路基加宽中沿筋材长向拉应力分布中,其中筋材(第i层)向新路基产生了Ti的拉力,有Puoi受到台阶拉拔力影响而消散,锚杆承担剩余的Treari,算式为
式(1)中,Treari指筋材最大拉力值,若保持极限平衡状态,取Tltds;Pupi指筋材(第i层)抗拉力;σni'指在筋材(第i层) 上发挥作用的竖向压应力,且σni'=γhi+ws,ws指车辆及路面的附加荷载;b指筋材宽度,本工程设计为土工格栅加筋土的结构,所以b取1 m;Lei指土筋材(第i层)锚固长度,和台阶宽度相等[2]。
按照公式(2)所示,计算在锚杆上发挥作用的拉力,即
式(2)中,Pani指在锚杆(第i层)中发挥作用的拉力,Shi指在水平方向上相邻的锚杆间距,w指锚杆和水平方向之间的夹角。
根据相关公式计算锚杆拉力设计值之后,可结合原路基土体的物理性质设计长度及锚孔直径,并在综合考虑多项因素基础上合理选择锚杆材料。
设该高速公路改扩建路基加宽施工中所使用的新路基填料和原路基一致,施工中以通铺的方式在路基的基底铺设一层土工格栅,在老路基中的伸入长度是1.5 m,和台阶宽度相等;在路基填高分别是2 m、4 m和6 m的部位再各铺设一层,在老路基中的伸入长度是1.0 m,而后铺设于新加宽路基当中,长度是6 m,在相应高度原路基的台阶上方设置锚杆,锚杆长为4 m,和水平面保持30°角,施工中联合应用开挖台阶、土工格栅加筋以及锚杆加固技术。
锚固加筋技术应用中,主要涉及以下施工工序:①清表,即彻底清除坡面的杂物,比如表皮土、腐殖土等。②台阶开挖,主要结合工程实际情况确定台阶高度和宽度。③预制锚桩,此工程中所用钢筋混凝土锚桩长度为2 m、直径为20 cm,并按照施工设计要求在端头部位设置成特定子弹头形状,从而为后续打桩施工提供便利。④布设锚桩,在此环节主要将间距控制在约2 m,并在桩上端设置钢筋头,以便后续固定土工格栅。⑤打桩,此环节注意锚桩和台阶相应开挖转角应保持10 cm的间距,而后锤击,利用锤击动力确保其进入原路基土体中。⑥布设格栅,在台阶高度和待填筑加宽路基相应高度一致后铺设土工格栅,同时在横向肋条和朝上折起的外露钢筋顺利连接之后,就可拉紧土工格栅,同步采取固定措施。⑦填土碾压,在以上作业结束之后,就可对土工格栅上方所覆盖的填土进行碾压作业,进而进行下一层的填筑作业[3]。
另外,在土工格栅铺设施工中,要注意:①铺设期间需先全面整平经过碾压且和压实标准相符的填土,将坚硬突出物全面清除,以防格栅被刺破,确保格栅铺设密贴与平整后再填土。②铺设格栅期间不可有褶皱,尽量把格栅拉紧拉直。③铺设格栅之后,严禁机械设备在上方直接运行,以防格栅受损或者过度拉伸。④为避免格栅外露并便于护坡施工,需要在外缘边坡的表面设置>1m的间隔距离。⑤格栅存放和运输期间需采取遮盖措施,防止因长时间暴露而影响格栅材料质量,完成铺设工作后需尽快填筑。⑥施工中要尽量减少切割以及缝合格栅,避免材料浪费。⑦低洼部位在不能顺畅排出地表水情况下,为拦截地表水,以防渗入施工场地,需合理设置排水沟等设施,并注意根据现场实际情况做好临时排水工作。⑧土工格栅材料铺设中要做好质量检验工作,具体允许偏差和检查方法与数量见表1。
表1 土工格栅材料铺设中的允许偏差和检查方法与数量
为了分析锚固加筋技术高速公路改扩建路基加宽施工中的应用效果,特选取广西滨海公路某路段断面展开数值分析。结合计算断面搭建有限元计算几何模型,土层计算参数见表2。土工格栅不承受压力,只承受拉力,属于柔性材料,无抗弯刚度,所以模型建立中选择格栅单元模拟[4]。其中,格栅单元属于线弹性体,为一维单元,只可顺着轴的方向变形。经过综合分析,决定通过点对点形式的锚杆拉杆单元来模拟锚杆,由高强度格栅模拟锚杆系统注浆体[5]。
表2 土层计算参数
经加宽处理和分析,发现和只开挖台阶的处理方式相比,运用锚固加筋技术使得加宽后的新路表沉降明显减少,约减少7.2%,使基底应力相对均化;同时使地表水平位移减少约41.2%,施工之后路基表面沉降控制效果显著,减少约13.0%,并有效控制了不均匀沉降,坡面坡率变化幅度达到0.33%,符合设计要求;运用锚固加筋组合式结构使得格栅增强了受力性能,抗拉性能也更好;运用此技术对高填方路基进行加宽处理,整体路基的稳定性明显提升。
在广西滨海公路改扩建加宽施工中,为了防止新老路基出现严重的不均匀沉降问题,保证新老路基可靠衔接,提出在施工中应用路基加宽锚固加筋技术。通过分析技术应用机理,探讨组合式结构的设计方法,经有限元模拟,证明在高填方路基加宽施工中应用锚固加筋技术,可促进老路基和新铺设土工格栅全面连成一体,防止老路基台阶上所铺设的土工格栅发生滑动位移,使新老路基更加稳定,减少不均匀沉降。此技术在该工程中的应用可为软土路基以及高填方路基相关项目加宽施工提供一定参考。