高速公路路基拓宽结合位置致害机理及处治技术

李 彦 革

(山西路桥建设集团有限公司阳泉分公司,山西 阳泉 045000)

1 概述

进入21世纪以来，省内高速公路建设迎来井喷期，由于当时规划设计能力、施工技术、交通量发展预测能力的不足，加之快速增长的交通运输量和车辆荷载指标的影响，导致原修建高速公路的通行能力已经无法满足省内现有的交通运输需求。经调研可知，当前省内高速公路不大于四车道占比达50%以上，其中，有一大部分路段为双向两车道形式；由于新开工高速项目前期投入大、施工周期长、短期收益能力低，对既有高速公路进行拓宽改造成为一种性价比更高的处理方案。由于高速公路拓宽改造路基结合位置的受力情况复杂，容易出现的病害类型较多，当前适用的施工规范主要基于软土路基拓宽施工工况，且拓宽改造过程中路基沉降检测标准尚未建立具体的标准，导致路基拓宽改造施工过程中的主观性较强。文章以省内某高速公路改扩建施工项目为研究案例，就路基拓宽改造过程中的主要病害致害机理进行了分析，并提出了针对性的处治措施，在项目中得到较为成功的应用。

2 公路路基拓宽结合位置致害机理分析

结合省内高速公路拓宽改造施工项目实际，基于高速公路拓宽改造的施工难度要总体大于新建高速公路项目；高速公路病害的致害机理绝大多数是由于受力原因导致，从受力方向及荷载类型角度可细分为以下几方面。

2.1 水平力致害机理分析

尚不考虑地基土不均匀沉降的基础上，拓宽改造路基结合位置在施工荷载的作用下，出现明显的拉应力，且拉应力呈窄幅变化，在尚未通车的情况下，认为是在施工荷载、路基自重荷载的耦合作用下，拓宽路基位置出现不均匀沉降、压缩形变，但原路基在长期荷载作用下变形和沉降基本完成，由于变形和沉降不协调，导致结合位置出现较大的拉应力，且拉应力最大值出现在结合位置的上表面。如果提前考虑地基土不均匀沉降因素，拓宽后路基的沉降变形则由自身压实压缩变形和地基沉降叠加组成，其沉降变形明显增加，旧有路基的沉降变形主要是由于新填筑路基结合位置的应力影响，具体表现为附加变形，变形值较低，在旧有路基坡脚位置将出现不规则分布的拉伸区域，表现为拉应力。综上，水平应力主要分布在新旧路基结合位置的上表面和既有路基的坡脚位置，也是造成拓宽改造路基不均匀沉降的主要原因之一。

2.2 竖向力致害机理分析

在不考虑地基土沉降的基础上，拓宽改造路基的加宽部分在自重荷载、施工荷载的耦合作用下，导致新填筑路基的竖向荷载作用明显，竖向应力集中分布在拓宽改造层的形心以下；如果考虑地基土沉降因素，受到明显的路基土体沉降变形因素影响，竖向应力呈现出从形心附近向外扩张的趋势，在应力值上也呈现出逐步降低的趋势。据此判断，伴随压应力的逐步增长，竖向压应力呈现出先集中后向外扩散的趋势，直至竖向压应力和地基土体承载能力基本持平后，向外扩散趋势基本完成，达到受力平衡状态。

2.3 截面剪切力致害机理分析

除了横向和竖向的拉压应力作用外，在路基拓宽改造施工过程中，如果剪应力值增加到一定程度，直至大于新旧路基结合位置的抗剪强度值时，将引起路基结合位置出现明显的相互错台病害，严重影响拓宽改造路基结构的整体性、承载能力及荷载稳定性。如果不考虑地基土沉降因素影响，新填筑路基土体的剪应力值较低，基本可以忽略，如果考虑地基土沉降影响，由于新旧路基填筑位置对应的路基土体沉降差异值较大，最终表现为路基结构截面剪应力值突增，剪应力集中分布在截面中心附近。在拓宽改造施工过程中，由于剪应力造成的路基病害程度低于拉压应力作用。综上，在拓宽改造路基施工过程中，应着重关注拉压应力引起的病害。

3 省内某高速改扩建项目路基拓宽结合位置病害处治技术

本工程项目为省内西纵高速北段连接线路基拓宽改造施工项目，高速公路连接线原有布置形式为双向四车道，路基宽度为25 m，部分路段为26.5 m，为了适应交通量要求，拟对本标段进行拓宽改造施工，加快后路基为双向六车道布置形式，路基宽度达到31.5 m，局部宽度达到33 m。现以本拓宽改造项目为案例，详细论述了拓宽改造路基结合位置的主要病害处治技术。

3.1 提升路基结合位置的压实度指标

提高路基结构的压实度指标，能够强化路基土体颗粒之间的相互嵌锁能力，提升路基混合料碎石之间的内摩擦力，降低路基碎石之间的内部空隙，提高单位体积内路基混合料的密度值，以间接提高新旧路基结合位置的整体性和承载能力，由于路基压实度指标较高，路基结合位置在后期车辆作用后的瞬时和长期累积变形值均较小。在本次拓宽改造施工中，以JTG D30公路路基设计规范(2015)为标准，拓宽改造路基压实度指标以表1数据为选取依据。

表1 拓宽改造路基压实度指标

3.2 敷设土工格栅加固设施

土工格栅加固技术在路基拓宽改造施工过程中的应用极其广泛，土工格栅材料一般为聚丙烯、聚乙烯等高分子材料，通过热加工技术将其编织为二维构型或者三维构型的网状织布结构。图1为本工程项目中使用到的土工格栅材料。

新旧路基结合位置的主要病害表现为结合位置的变形不协调和不均匀沉降，由于旧路基在长期的自重和上部荷载作用下，其变形已接近尾声，新填筑路基变形较大，由于变形不协调，势必在结合位置产生较大应力。在开挖完成的台阶上敷设土工格栅，土工格栅凭借各向受力特性能够分担由于变形不协调导致的各项拉压应力，从而提升结合位置的整体性和变形协调性，最大程度约束局部不均匀沉降。

3.3 填筑台阶型路基结合断面

为了提升新旧路基结合位置的相互衔接能力，提高二者协调变形的能力，新旧路基结合断面应开挖成一定斜率的台阶型，台阶结构开挖的基本结构形式主要有以下两种，即：对原有路基结构边坡进行均匀削坡，并在削坡基础上继续开挖错动台阶，削坡施工量应结合项目现场的地基土体承载能力确定；另一种先彻底清理原始路基边坡上的浮尘，然后直接开挖台阶，路基结合位置台阶开挖可以细分为从上至下或者从下至上。结合本工程项目实际情况，路基土体的承载能力较高，拟选用自上而下的台阶开挖方式，且台阶削坡斜率比值为1∶1.5。具体开挖断面详如图2所示。

结合本工程项目自身特点，单个台阶宽度值应控制在1 000 mm～15 000 mm范围内，台阶高度取宽度的2/3为宜，且最大高度不宜大于1 600 mm。为了保证台阶相互咬合性能，台阶宽度应尽可能大，以最大程度增加新旧路基结合面的实际面积，防止台阶接触面过小，引起的局部应力集中问题。此外，结合面台阶开挖应紧密结合施工项目实际情况，台阶开挖高度应以不影响台阶整体的稳定性为基准，同时也防止由于开挖高度过大引起的挖方量增加。

4 结语

对既有高速公路进行拓宽改造成为一种性价比更高的处理方案，但由于高速公路拓宽改造路基结合位置的受力情况复杂，容易出现的病害类型较多，必须制定路基结合位置的病害处理方案，以实现新旧路基结合位置的协调工作。文章以省内某高速公路路基拓宽改造项目为研究案例，针对结合位置病害提出了相应的控制措施，经项目实践检验，各措施的工程应用性良好，能够推广使用。