公路改扩建工程新旧路基衔接处施工质量控制研究

王瑜

（广西南宁市江南区公路水路建设养护中心，广西 南宁 530031）

0 引言

尽管高速公路改扩建项目已经开展了很多年，但是在冻土地区，改造和改建严重冻土区的技术还不够成熟，还在摸索中。例如一些项目建成通车后，路面在拓宽后会产生纵裂，这不但要花费大量的资金解决这个问题，还会给承建的公司带来不利的影响。为此，对于公路改扩建中的新旧路基衔接问题，应注重路基拓宽质量，尽量保证衔接位置不会出现裂缝。文献［1］提出了改扩建新旧路基拼宽差异性沉降控制技术，通过分析不良地质段极易产生差异性沉降的位置，处理路基。采取沉降观测方法、采集和整理相关数据，完成新旧路基衔接施工；文献［2］研究非均匀沉降对道路结构机械性能的影响与控制方法，使用数值模拟方法对不均匀沉降位置分析，并对新旧路基衔接处进行标准控制。然而，上述两种方法针对的是路面不均匀沉降方面的研究，缺少道路内部产生额外附加应力影响分析，导致施工质量控制效果不佳。为此，本文提出了公路改扩建工程新旧路基衔接处施工质量控制方案。

1 工程概况

本文以广西某条南北通向海洋的公路为例，该公路位于南宁市的横县云表镇，总长度为159.8 km，是由双向四车道组成的公路，沥青砼铺面。旧路加宽改建时，新旧路基的固结度差异会引起路基的侧向不均匀沉降，从而引起路面的裂缝和损坏。地基土是一种非线性的弹塑性变形体，其受力后既有弹性变形，又有一定的塑性变形。在受力作用下，塑性变形会逐步累积。在行车道中央轮迹带附近，路基土在承载力大的情况下，会产生很大的载荷。在不同的条件下，地基的塑性累积变形比其他部位都要大，从而造成不同的地基变形。

在旧公路加宽改建工程中，对地基的沉陷及路基的稳定性进行分析是十分必要的。沉降法是指在基坑开挖时，使新基坑的沉降速度加快，或采用相应的措施控制基坑的侧向位移，以减小基坑的工后沉降。在稳定性方面，为了改善路基的抗剪承载力，需要对新建路基进行加固处理。

2 道路内部产生额外附加应力对不均匀沉降影响分析

公路改扩建工程新旧路基受到额外作用力影响，会出现不均匀沉降问题，其中额外作用力是横向附加应力。应用Flac3d有限差分软件模拟公路改扩建工程新旧路基沉降对路面结构的影响（如图1）。

图1 基于Flac3d有限差分软件的路基沉降影响示意图

由图1可知，通过对新铺设的路面进行分析，发现在不同的沉降条件下，新铺设的路面会出现水平应力，而在不同的荷载作用下，沥青路面的表层会受拉应力，而水平应力也会随之增加［3］。在路面底层的附加张应力比其极限拉伸强度大的情况下，会产生裂纹，并继续向上延伸，直到完全开裂，从而造成路面损坏。因此，必须对道路内部产生额外附加应力对不均匀沉降影响问题展开深入研究［4］。

不均匀沉降下的水平拉应力数值统计结果见表1。

表1 不均匀沉降下的水平拉应力

从表1分析可以看出，在不均匀沉降情况下，基层和底基层的水平拉应力会沿着公路横向而逐渐增大，直到达到最大值后再逐渐减小［5］。在不同的沉降情况下，横向附加应力也会增大。在道路上，最大横向附加应力与最大差值沉降均为线性。采用线性内插方法可以发现，在路基处，当横向附加拉应力比极限拉伸强度大时，会出现拉伸裂纹［6］。

路面在不断地经受着汽车等外界荷载的作用，在路基的荷载作用下，产生了裂纹，并逐步向裂缝蔓延［7］。因此，道路强度与其允许应力的关系如下：

式（1）中，TP表示路基结构拉应力；表示路基抗拉强度系数；MR表示路基结构强度。

沥青混凝土材料和无机结合料抗拉结构系数按如下公式计算：

3 公路改扩建工程新旧路基衔接处施工质量控制方案

3.1 新旧路基衔接处不均匀沉降等级划分

在综合考虑路面结构材料的极限抗拉强度后，将其作为控制裂缝的重要因子。当新路面在加宽后产生的不均匀沉降超过一定的临界值后，其下层的张应力比基层的稳定碎石强度要大［9-10］。充分考虑路面材料的疲劳影响，在拓宽后新铺面上的差异沉降比设置的临界点大时，相应的斜坡变化率小于0［11］。在此基础上，将地基稳定碎石的拉应力作为控制指标，对不均匀沉降进行了精确的控制，最终沉降量计算公式如下：

在增大的附加应力的情况下，新旧路基的沉降曲线呈勺形，即在老路中心的旧路最少，而地基的扩展则是最大的。从上述基础附加应力出发，可以确定新路基的最大、最小值，也就是新路基的重心和旧路基的重心，二者的不同之处是由于新旧地基的基础拓宽而产生的最大差别［12］。

新旧路基沉降量计算公式如下：

式（5）中，G1、G2分别表示路面拓宽前后地基固结度；H旧表示旧地基总沉降量。

以不均匀沉降及其相应的斜坡变动率为上限，将加宽和改扩建两侧道路基底的不均匀沉降进行了归类，表2中显示了归类结果。

表2 不均匀沉降等级划分

由表2可知，在1等级的沉降级别下，一般认为路基不会出现明显的损坏，无须采取相应的防护措施；在2等级的沉降级别下，则应采取相应的预防措施，避免因不同沉降引起的路基变形而引起的损害。在公路路基的加固中，常采用强夯法［13］；在3等级的沉降级别下，路面将产生裂缝和破坏，必须采取灌浆等措施进行加固；在4等级的沉降级别下，路面的裂纹十分严重，应采取多种措施联合进行加固［14］。

3.2 新旧路基衔接处施工步骤控制

根据新旧路基衔接处不均匀沉降划分的等级，设计新旧路基衔接处施工控制步骤如下。

步骤1：原有路基挖台阶。为提高新、旧路基的整体稳定性，应在填筑之前对原有路基进行开挖。图2显示了台阶的具体尺寸和位置。

图2 原有路基挖台阶

在原有的斜坡上，采用一次开挖加宽坡脚的方法，将斜坡的纵向厚度在30 cm左右的坡面上进行一次开挖，以拓宽路基肩部。拓宽后的路基在距路基顶面80 cm处进行了开挖。在硬路肩开挖后，对原有的路基进行填筑。如符合要求，进行填筑［15］。

步骤2：对新旧路基结合部强夯。为强化新老路基的结合，必须在路基顶部下进行80 cm、20 cm的加固。

步骤3：新旧路基结合处铺土工格栅。为减小新老路基沉降差，采用了钢塑复合网格网作为土工格栅。在此基础上，采用土侧受压后的应力，以降低衔接处开裂的可能性。

土工格栅的铺设过程如下：①由于施工中对路基的平整性有很高的要求，所以在进行土工格栅施工之前，应严格控制填料的颗粒尺寸，以及碾压后的平整程度，以便更好地施工。②将切割好的土工格栅按顺风方向进行分层布置，使每层土工格栅横向堆砌10 cm，再用“U”形钢板夹具将土工格栅钉在路基上。为了避免土工格栅的移位，每隔2 m用一根“U”形的钉子。③在铺设完土工格栅后，应选择低干密度或高颗粒物质的山区土和石渣。在实际施工过程中，由于填料的干密度过低，造成翻滚困难，从而影响工程进度；颗粒过大，则会破坏网片的经纬方向，造成机械损坏，从而影响网片的使用效果。在这一层中，最好使用强烈的风化砂石。④卡车不能通过已经铺设好的土工织物，填充物应由一端或两侧开始，并逐渐覆盖。⑤当填料的厚度达到某一程度时，用平地机器把它弄平，并注意防止划伤的围栏。通过对其进行调整，以满足其致密要求。

基于上述步骤，完成公路改扩建工程新旧路基衔接处施工质量控制。

4 实验

为了验证公路改扩建工程新旧路基衔接处施工质量控制研究的有效性，采集、整理并分析实验数据。选取K101+550-K101+580断面为观测对象，在每次添加路基过程中，就需观测一次沉降深度。当路基添加到指定高度后，需每隔一个月再观测一次沉降深度。半年内路基沉降深度如图3所示。

由图3可知，在1.5 m处的沉降量，随着时间增加，沉降深度由0变为-0.4 mm；在9.5 m处的沉降量，随着时间增加，沉降深度由0变为-0.7 mm；在21.5 m处的沉降量，随着时间增加，沉降深度由0变为-4 mm。

图3 半年内路基沉降深度

基于此，分别使用改扩建新旧路基拼宽差异性沉降控制技术、基于数值模拟的非均匀沉降控制方法和基于Flac3d的新旧路基衔接处施工质量控制方法，对比分析不同处沉降量下的沉降深度（如图4）。

由图4（a）可知，使用改扩建新旧路基拼宽差异性沉降控制技术，沉降深度最大值为-0.5 mm；使用基于数值模拟的非均匀沉降控制方法，沉降深度最大值为-0.7 mm；使用基于Flac3d的新旧路基衔接处施工质量控制方法，沉降深度最大值为-0.4 mm，与实际数值一致。

由图4（b）可知，使用改扩建新旧路基拼宽差异性沉降控制技术，沉降深度最大值为-1 mm；使用基于数值模拟的非均匀沉降控制方法，沉降深度最大值为-2 mm；使用基于Flac3d的新旧路基衔接处施工质量控制方法，沉降深度最大值为-0.5 mm，与实际数值相差0.2 mm。

由图4（c）可知，使用改扩建新旧路基拼宽差异性沉降控制技术，沉降深度最大值为-3 mm；使用基于数值模拟的非均匀沉降控制方法，沉降深度最大值为-4.3 mm；使用基于Flac3d的新旧路基衔接处施工质量控制方法，沉降深度最大值为-4 mm，与实际数值一致。

图4 3种方法沉降深度对比分析

通过上述分析结果可知，使用基于Flac3d的新旧路基衔接处施工质量控制方法，对于沉降深度具有精准控制效果。

为了进一步验证控制方法具有良好控制效果，分别使用3种方法对比分析压路机收边前后压实度，对比结果见表3。

由表3可知，使用改扩建新旧路基拼宽差异性沉降控制技术，在不同桩号下压实后的最大值为98.3%，与实际数据最大值相差1.4%；使用基于数值模拟的非均匀沉降控制方法，在不同桩号下压实后的最大值为98.0%，与实际数据最大值相差1.7%；使用基于Flac3d的新旧路基衔接处施工质量控制方法，在不同桩号下压实后的最大值为99.6%，与实际数据最大值相差0.1%。由此可知，使用基于Flac3d的新旧路基衔接处施工质量控制方法，对压路机收边压实也具有良好控制效果。

表3 3种方法前后压实度对比

5 结语

随着我国经济的快速发展，道路改扩建工程将会不断增多，但目前我国在改扩建道路上尚无一套行之有效的规范，为此研究了一种公路改扩建工程新旧路基衔接处施工质量控制研究方法。采用有限元软件分析方法，对不同沉降条件下的加宽路面进行了应力分析，并对其进行了控制。该方法有效地解决了新旧路基重叠处因沉降不同而引起的路面损坏问题，为高速公路安全施工提供了保障。在未来发展中，机器视觉技术联合3D打印技术一体化解决公路路基沉降问题值得期待。