高速公路拓寬路基差異沉降控制技術(shù)的分析

孔維志 / 云南云嶺高速公路建設(shè)集團(tuán)第四工程有限公司

高速公路拓寬路基差異沉降控制技術(shù)的分析

孔維志 / 云南云嶺高速公路建設(shè)集團(tuán)第四工程有限公司

高速公路拓寬路基的差異沉降現(xiàn)象是普遍存在的，在進(jìn)行改擴(kuò)建施工時(shí)，要確定新老路基的差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，做好工程施工設(shè)計(jì)，采取合理的控制技術(shù)措施，這是目前高速公路改擴(kuò)建工程中的重點(diǎn)問(wèn)題。本文首先對(duì)拓寬路基的差異沉降機(jī)理、特性及影響因素進(jìn)行分析，確定新老路基的差異沉降控制指標(biāo)，在此基礎(chǔ)上，探討差異沉降的有效控制措施。分析表明，應(yīng)用預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基可以實(shí)現(xiàn)對(duì)拓寬路基差異沉降的有效控制。

高速公路；拓寬路基；差異沉降；控制技術(shù)

前言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們物質(zhì)生活水平不斷提高，私家車數(shù)量逐年上升，為道路交通帶來(lái)了沉重負(fù)擔(dān)。許多公路已經(jīng)出現(xiàn)交通量飽和的態(tài)勢(shì)，難以為市民的出行提供優(yōu)質(zhì)、快捷的服務(wù)。因此近幾年來(lái)高速公路改擴(kuò)建工程也越來(lái)越多，以滿足人們的出行需要。目前高速公路改擴(kuò)建工程多數(shù)采用老路加寬的改擴(kuò)建方案，新老路基的差異沉降問(wèn)題已經(jīng)成為高速公路改擴(kuò)建工程的技術(shù)難點(diǎn)，許多控制技術(shù)都沒有達(dá)到預(yù)期效果，容易導(dǎo)致工程竣工投入使用后出現(xiàn)路面縱向開裂等嚴(yán)重問(wèn)題。因此，對(duì)高速公路拓寬路基的差異沉降控制技術(shù)進(jìn)行研究十分必要。本文將首先對(duì)拓寬路基的差異沉降問(wèn)題進(jìn)行全面分析。

一、拓寬路基的差異沉降機(jī)理

目前國(guó)內(nèi)高速公路改擴(kuò)建工程使用最多的手段是在公路兩側(cè)進(jìn)行對(duì)稱拼接加寬，但由于新路基和老路基往往由較大施工時(shí)間差異，老路基的固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降已經(jīng)結(jié)束，地基趨于穩(wěn)定。而新路基在建設(shè)過(guò)程中智能完成初始沉降，固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降都需要一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間過(guò)程，所以就導(dǎo)致了新老路基的差異沉降。而且由于新路基是附加荷載，會(huì)在地基土中產(chǎn)生不均勻的附加應(yīng)力，引起新的差異沉降，尤其是軟土地基，影響更為嚴(yán)重。如果不能采取有效的控制技術(shù)措施，會(huì)因差異沉降問(wèn)題導(dǎo)致老路面拉裂或新老路基拼接處開裂等嚴(yán)重問(wèn)題。目前關(guān)于拓寬路基的差異沉降的研究主要是從應(yīng)力與變形方面出發(fā)，對(duì)公路的拓寬寬度、軟土厚度、路基模量等影響因素進(jìn)行分析。對(duì)其影響因素考慮的不夠全面，而且研究分析不夠深入，因此難以找到有效的控制措施。

二、差異沉降特性及影響因素分析

（一）差異沉降特性

在高速公路拓寬前，老路基沉降分布主要表現(xiàn)為中間大、邊緣小的半盆形，這表示最大豎向位移是在路中心處發(fā)生的，與一般新建路基沉降規(guī)律一致。但在路基拓寬后，老路基沉降分布發(fā)生了變化，并表現(xiàn)出先大后小的變化趨勢(shì)，最終呈倒鐘形分布。具體表現(xiàn)為老路基右側(cè)沉降逐漸增大，在新路基下方達(dá)到最大值后逐漸縮小。在進(jìn)行拓寬前，老路基坡腳下方的地基內(nèi)水平位移達(dá)到最大值，在中心線處基本為零。拓寬后，新路基坡腳下方地基內(nèi)水平位移達(dá)到最大值，地基土體水平位移處于拼接處分界，左側(cè)靠近中心處，水平位移逐漸縮小，左側(cè)靠近新路基坡腳處，水平位移逐漸增大。豎向應(yīng)力的特點(diǎn)是，在拓寬前其最大值處于地基頂面處，并隨地基深度增加而減小，在拓寬后最大值出現(xiàn)上升，并且在新路基地面中心附近移動(dòng)。最大剪應(yīng)力在拓寬后也出現(xiàn)上升，出現(xiàn)于老路基邊坡下部，導(dǎo)致邊坡容易出現(xiàn)坍塌，所以需要對(duì)邊坡進(jìn)行加固。

（二）影響因素分析

差異沉降的影響因素主要包括高速公路的拓寬寬度、路基高度、新路基的各項(xiàng)參數(shù)、地基彈性模量等。在高速公路改擴(kuò)建工程中，單側(cè)拓寬的車道數(shù)量可能從1~4道不等。其路基表面沉降呈先增大后減小的變化趨勢(shì)，而且新路基沉降遠(yuǎn)大于老路基附加沉降。拓寬寬度越大，最大差異沉降值越大。地基表面的水平位移也隨著拓寬寬度的增加和增大，所以拓寬寬度對(duì)差異沉降由較大影響，一般拓寬2個(gè)車道為宜。

路基高度對(duì)新老路基的差異沉降也有較大影響，取2~8m對(duì)路基高度的影響進(jìn)行分析，隨著路基高度的增加，路基表面的沉降最大值隨之增加，差異沉降值也逐漸增大。所以在滿足最小填土高度的前提下對(duì)路基高度進(jìn)行控制，可以有效降低差異沉降的影響。

新路基參數(shù)主對(duì)差異沉降的影響主要從土體黏聚力、摩擦角、彈性模量以及重度等方面進(jìn)行研究。在不同的新路基土體黏聚力下，路基表面沉降的數(shù)值基本相同，因此土體黏聚力對(duì)路基形變基本沒有影響。對(duì)摩擦角的研究分別取10°~40°四種情況，其路基表面沉降也不發(fā)生變化，因此，摩擦角對(duì)路基形變也基本沒有影響。在研究路基彈性模量對(duì)差異沉降的影響中發(fā)現(xiàn)，隨著彈性模量的增加，老路基頂面沉降不變，但新路基頂面沉降變小，不過(guò)變化幅度較小。說(shuō)明彈性模量對(duì)其影響較小。土體重度則對(duì)新老路基的差異沉降由較明顯影響，隨著土體重度的增加，地基表面沉降也逐漸增加，地基表面水平位移逐漸增大。

地基彈性模量對(duì)新老路基差異沉降由較大影響，隨著地基彈性模量的增加，路基表面沉降逐漸減小，新老路基的差異沉降也呈減小趨勢(shì)。因此，提高地基彈性模量也是控制差異沉降的有效措施。

三、高度公路拓寬路基的差異沉降控制技術(shù)

通過(guò)上述分析可知，新老路基差異沉降的主要影響因素是地基沉降，因此采取符合地基處置技術(shù)是差異沉降控制的可行技術(shù)。預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基由于其成樁速度快、質(zhì)量高、耐久性卓越、承載力高等特點(diǎn)成為拓寬路基差異沉降控制技術(shù)的優(yōu)先選擇。其控制效果主要受兩方面因素影響，一是樁體自身因素，包括長(zhǎng)度、間距、模量等，二是樁體和樁間土的作用關(guān)系，包括墊層剛度、土工格柵剛度等。

樁間距是影響其加固效果的重要因素，分別取2m、2.5m和3m對(duì)樁間距的影響進(jìn)行研究。結(jié)果表明，2.5m的樁間距對(duì)降低拓寬路基差異沉降的效果最好，因此在使用預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基進(jìn)行差異沉降控制時(shí)，樁間距應(yīng)選擇2.5m。

樁模量對(duì)差異沉降的控制效果也有較大影響，在2.5m樁間距下，分別以20GPa、40GPa和60GPa的樁間距進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明，樁模量越大，降低沉降效果越明顯，降低幅度不大。出于對(duì)工程造價(jià)的考慮，樁模量取20GPa即可。樁體長(zhǎng)度對(duì)其控制效果也有一定影響，隨著樁體長(zhǎng)度的增加，差異沉降有所下降，但下降幅度不大，一般樁體長(zhǎng)度取8m即可。

墊層材料的剛度變化對(duì)控制差異沉降的效果有一定影響，隨著墊層材料模量的增加，差異沉降有所下降，呈線性較少趨勢(shì)。但是差異沉降下降的效果并不明顯，一般墊層材料模量只要達(dá)到10MPa即可。格柵材料的剛度變化對(duì)差異沉降控制效果的影響也不明顯。隨著格柵材料模量的增加，差異沉降緩慢下降，當(dāng)增加至一定程度后，其減幅效果逐漸減弱。因此，一般要求格柵材料的模量達(dá)到2GPa即可，其差異沉降的最小值就能小于控制指標(biāo)。

四、結(jié)束語(yǔ)

總而言之，新老路基的差異沉降問(wèn)題已經(jīng)成為高速公路改擴(kuò)建工程的主要技術(shù)問(wèn)題，必須采取有效的控制措施，避免出現(xiàn)公路開裂等嚴(yán)重問(wèn)題。本文主要分析了拓寬路基的差異沉降機(jī)理和影響因素，從而提出幾點(diǎn)控制措施，著重介紹了預(yù)應(yīng)力管樁復(fù)合地基的使用，希望能為差異沉降控制提供參考。

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