公路填土路基擴(kuò)寬控制技術(shù)研究

羅鳳偉

(黔南州航務(wù)發(fā)展中心 黔南 558000)

引言

截至2019年末，全國(guó)公路總里程達(dá)501.25萬(wàn)公里，公路密度52.21公里/百平方公里，載貨汽車運(yùn)輸量13587.00萬(wàn)噸位。隨著運(yùn)輸量逐年提升，限于早期公路建設(shè)的工藝水平、規(guī)劃理念等，一些公路運(yùn)力難以滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。對(duì)既有公路改、擴(kuò)建，提高公路等級(jí)，增加運(yùn)輸能力，在實(shí)際工程中具有較強(qiáng)可操作性和經(jīng)濟(jì)性。而新、舊路基受材料、工藝和環(huán)境等諸多因素影響，路基易產(chǎn)生不均勻變形，引起路面縱向裂縫乃至失穩(wěn)影響交通。

1 擴(kuò)寬路基變形理論

依據(jù)擴(kuò)寬路基沉降理論，原路基及其下部地基在自重和長(zhǎng)期車輛荷載作用下，因土顆粒之間的孔隙逐漸壓縮完成固結(jié)；在擴(kuò)寬路基自重和車輛荷載附加應(yīng)力作用下，原路基發(fā)生二次壓縮較小變形[1]。舊路基固結(jié)早已完成，新增荷載產(chǎn)生的沉降小，新建擴(kuò)寬路基在施工期和運(yùn)營(yíng)期受材料自重和車輛荷載作用，固結(jié)沉降直至穩(wěn)定，產(chǎn)生遠(yuǎn)大于舊路基的沉降量[2]，沿道路中線向路肩方向的豎向變形先增大后減小，最終呈現(xiàn)出一種“漏斗”的變形狀態(tài)[3-6]。從力學(xué)角度，新舊路基接合處，填筑材料沒(méi)有足夠的黏聚力，擴(kuò)寬路基在自重和車輛荷載作用下，產(chǎn)生的下滑力超過(guò)接合面之間的抗滑力，如圖1所示。最終在接合面產(chǎn)生剪切破壞，產(chǎn)生路面頂部縱向開(kāi)裂和基層頂部彎拉開(kāi)裂等現(xiàn)象。

圖1 路基接合面受力示意圖

2 擴(kuò)寬路基變形控制

擴(kuò)寬路基面臨的首要問(wèn)題是新舊路基的差異沉降，引起擴(kuò)寬路基不均勻沉降的因素有填筑材料物理性質(zhì)、回填壓實(shí)度、含水率、施工工藝、抗滑移措施、地基處理等幾個(gè)方面，可依據(jù)工況采用恰當(dāng)?shù)姆乐未胧?/p>

2.1 采用合適路基填筑材料

鄭鵬飛[7]通過(guò)單軸固結(jié)試驗(yàn)研究了洛川剖面各土層的壓縮特性,指出土體的壓縮模量隨壓實(shí)度的增加而增大,壓縮系數(shù)則隨壓實(shí)度的增加而減小，且受含水率影響顯著。王飛[1]指出擴(kuò)寬路基壓實(shí)度應(yīng)比新建路基壓實(shí)度提高1個(gè)百分點(diǎn)，分層碾壓填筑后，再用沖擊式壓路機(jī)增強(qiáng)補(bǔ)壓，以提高壓實(shí)度。離心試驗(yàn)研究表明，提高壓實(shí)度可減小路堤本身沉降，但并不能有效控制擴(kuò)寬路基的差異沉降，在素土路基中增加一定的粘合劑，可一定程度上提高路基模量，降低路基的沉降，并改善差異沉降[8]。涂慕溪等[9]對(duì)比分析三種路基材料填筑高度對(duì)路基模量和沉降量的影響時(shí)發(fā)現(xiàn),采用較重路堤比較輕路堤重力增大8倍,但其彈性模量比并未發(fā)生較大變化。

常見(jiàn)的輕質(zhì)路基填料有粉煤灰、礦渣、輕質(zhì)土或EPS等，其密度約為普通土的1/3～1/10，作為路基填料時(shí)，可有效降低路基頂面沉降，最大減少路基頂面沉降約20%[10]。泡沫輕質(zhì)土受水固比影響，無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)到3370kPa，濕密度僅為0.718g/cm3，可有效降低填筑材料的自重[11]。

表1 幾種常用建材的容重(kN/m3)

楊琪[12]采用UDEC研究氣泡輕質(zhì)土路基和原有路基之間的不連續(xù)性。結(jié)果表明，隨著路面荷載增加，舊路基內(nèi)部塑性變形增大，并在路基中線最終出現(xiàn)塑性屈服；輕質(zhì)土路基底部出現(xiàn)局部拉伸破壞，并最終在舊路基出現(xiàn)塑性破壞后發(fā)生屈服。

EPS材料質(zhì)量輕，在路基處理工程中廣泛應(yīng)用，由于EPS顆粒之間沒(méi)有黏聚力，需要加入一定量的粘合劑[13]。裴振偉等[14]指出 EPS顆粒體積占比每增加10%，輕量土重度減小約2g/cm3，但不得超過(guò)2.01%，否則將會(huì)增加土體制備的困難；無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)表明，同條件素土樣抗壓強(qiáng)度為79.98kPa，而EPS顆?；旌陷p質(zhì)土的抗壓強(qiáng)度范圍為103.2～1359.0kPa，抗壓強(qiáng)度明顯優(yōu)于素土材料。

圖2 輕質(zhì)路基填料作用

2.2 降低新舊路基界面滑移

新老路基之間的結(jié)合處剪應(yīng)力大，且存在應(yīng)力集中，當(dāng)剪應(yīng)力大于接合面的抗剪強(qiáng)度時(shí)，將出現(xiàn)路基邊坡失穩(wěn)破壞。通常采用削坡、構(gòu)造臺(tái)階和布設(shè)土工材料等，以降低接合面滑動(dòng)剪切力，增加界面的抗滑力和提升新舊路整體變形協(xié)調(diào)性。

胡志強(qiáng)[3]通過(guò)數(shù)值方法分析了1∶0.8～1∶1.5四種情況擴(kuò)寬路基的豎向及水平向位移。結(jié)果表明，削坡使得原路基應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生改變，導(dǎo)致路基豎向位移有所增大，但由于削坡能促進(jìn)新舊路基結(jié)合使得水平向的位移有所減小，甚至出現(xiàn)負(fù)位移，利于提升路基穩(wěn)定性。

王飛[1]對(duì)不同臺(tái)階尺寸對(duì)沉降差異的影響分析，得出最優(yōu)臺(tái)階尺寸為寬0.9～1.2m，高0.6～0.8m,并建議臺(tái)階向內(nèi)保持2%～4%的傾斜量。夏英志等[15]從挖方量和原路基的穩(wěn)定性考慮，建議構(gòu)造臺(tái)階的高寬比在1∶2，臺(tái)階開(kāi)挖高度為0.6～1.0m，且不要超過(guò)2.5m。

在土體中增加土工格柵(表2)，可形成復(fù)合體共同承擔(dān)外力作用，提高路基穩(wěn)定性，在高速公路改擴(kuò)建工程中廣泛應(yīng)用[3]。有限元分析結(jié)果表明，采用土工格柵后能有效改善路基的剪應(yīng)力分布，提高路基的穩(wěn)定性，路基沉降同比會(huì)減低約10%[3,16]。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，竣工后3到16個(gè)月內(nèi)，擴(kuò)寬部位的水平位移呈現(xiàn)出明顯的非線性特征，土工格柵起到了很好的控制變形的作用[17]。

表2 采用土工格柵的公路改擴(kuò)建工程

泡沫輕質(zhì)土摻合土工材料可形成一種復(fù)合加筋泡沫輕質(zhì)土，當(dāng)加筋量約為0.75%時(shí)，施工期基底沉降量可比普通填土路基減低55.1%。加筋量增加至1.5%時(shí)，路基坡腳位移降低79%，明顯改善了施工中產(chǎn)生的沉降和提高了路基的穩(wěn)定性[18]。

3 結(jié)論

在長(zhǎng)期荷載作用下，舊路基固結(jié)沉降變形已經(jīng)完成，擴(kuò)寬路基與舊路基存在不同步變形的差異沉降，導(dǎo)致路面開(kāi)裂和失穩(wěn)。在素土中拌合一定比例的粘合劑可提高路基變形模量，改善差異沉降。

輕質(zhì)路基材料自重輕，降低了作用于基礎(chǔ)底面的附加荷載，同時(shí)減小了擴(kuò)寬部分的下滑作用力，且摻合了粘合劑的輕質(zhì)土自身的抗變形能力得到提升，使得協(xié)同變形能力得到提高，可有效改善路基變形。

合理設(shè)置新舊路基接合面構(gòu)造，一方面有助于舊路基的施工穩(wěn)定性，提高新舊路基之間的抗剪強(qiáng)度；另一方面土體加筋則增加了土體縱、橫向的變形協(xié)調(diào)能力，使得整體協(xié)同受力的整體性得到加強(qiáng)，新舊兩部分路基的變形得到相互的約束。