公路加寬分部填筑路基沉降特性及差異沉降控制技術研究

胡正河

（邢臺市信都區(qū)地方道路管理站，河北 邢臺 054000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，高速公路的交通量也逐漸增長，考慮到既有高速公路的病害及減少對土地的占用，可通過在既有公路路基的兩側或者單側進行擴建，以滿足交通需求。但已有公路路基在長期的行車荷載作用下，固結沉降過程基本上完成，處于相對穩(wěn)定狀態(tài)，而擴建部分路基依附于既有路基邊坡上，在外部荷載作用下仍會發(fā)生沉降，使新舊路基交接部分會出現(xiàn)不均勻沉降，甚至引起連帶沉降，嚴重時表面出現(xiàn)裂縫，路基內(nèi)部存在滑裂面，從而對高速公路通行能力、服務水平及行車安全產(chǎn)生較大的影響。因此，解決新舊路基交界處的差異性沉降顯得至關重要。

本文以邢臺高速改擴建工程為工程背景，在傳統(tǒng)水平分層填筑技術的基礎上，針對高速公路改擴建過程中遇到的差異性沉降等問題，在土力學應力路徑理論基礎之上，提出了分部填筑施工技術，并對分部填筑施工技術的施工要點進行了介紹。然后通過現(xiàn)場試驗，對不同土工格柵長度及分部填筑高度條件下，改擴建路基的沉降進行了研究，最后從路基填料的選擇及壓實度兩方面對路基的差異性沉降進行控制。

1 工程概況

邢臺高速是河北省境內(nèi)一條由南向北的重要主干道，也是河北省“九縱五橫一環(huán)七連”高速公路規(guī)劃布局網(wǎng)中的一條，承載著河北省南北向的主要交通需求。由于既有老路基出現(xiàn)不同程度的病害，難以滿足日益增大的交通需求及行車安全要求，將既有主線四車道改擴建為八車道，全線路基加寬段全長46.21km，擴建方式為單側或者雙側，擴建后的高速公路設計使用年限為15年，設計車速分為100km/h和120km/h，設計荷載1級。

本工程所處地形條件復雜，有低山丘陵區(qū)、平原微丘區(qū)等。地貌單元種類多，高低起伏變化大，地貌十分發(fā)育。路基段處于低山丘陵工程地質區(qū)，地質條件良好，但地面高低起伏變化大，給施工帶來一定的困難，另外在施工過程中需要注意構造破碎帶、軟弱夾層等問題。

2 拓寬路基分部填筑工法特性

傳統(tǒng)新舊路基擴寬工程中，一般選擇水平分層填筑的施工工法，但由于新舊路基填料及下方地基的固結程度等均不同，可能會引起新舊路基交界處出現(xiàn)差異性沉降，從而引起路基路面出現(xiàn)開裂破壞，甚至會導致路基整體垮塌，給行車安全帶來嚴重的影響。因此，本文基于土力學中應力路徑優(yōu)化原理，提出了一種分部填筑的施工方法，可以有效提高新舊路基的穩(wěn)定性。

2.1 分部填筑工法斷面設計

分部填筑方法是應用于路基拓寬工程中，基于傳統(tǒng)的水平分層填筑方法，提出的一種改進施工工法，如圖1所示。

與傳統(tǒng)水平分層填筑方法不同，在老路基邊坡按照不同拓寬形式開挖臺階后，在距離舊路基邊坡一定范圍內(nèi)分層填筑第一部分新路基，當新填筑路基碾壓固結穩(wěn)定后，在新舊路基之間填筑第二部分新路基填料。公路地基土穩(wěn)定性較差時，可對新舊路基之間地基進行加固，如在地基進行加固樁處理，從而提高新舊路基交界處的整體穩(wěn)定性。同時，為了增加新舊路基之間的連接力，可通過在臺階處布置土工格柵或者微型樁等進行局部加固，降低新舊路基交界處開裂的風險。

在距離老路基邊坡一定范圍外填筑的新建路基在自身重力作用下，路基下方地基的應力狀態(tài)和變形條件發(fā)生改變，形成和老路基滑動方向相反的力矩，從而平衡老路基的滑動力矩。并且，新建路基不僅能夠幫助老路基承受一部分填土壓力，而且新建路基本身在自重作用下發(fā)生固結，可以提高間隙軟土的強度和水平應力，有效減小老路基的附加變形。

2.2 分部填筑工法施工要點

高速公路改擴建工程利用分部填筑工法施工時需要注意：

（1）按照相關規(guī)范要求對老路基和新建路基施工場地進行清理后，需要根據(jù)路基相方地質條件，合理選擇路基拓寬方式、路基填筑高度。

（2）對老路基進行削坡和開挖臺階，為增加新老路基之間的接觸力，對老路基表面進行30cm進行清坡處理及地基表面壓實，填筑高度5m以下的部分采用連續(xù)液壓夯夯實，填筑高度在5m以上的采取重夯夯實；在進行填筑壓實過程中，需要做好路基排水工作，并保證各層填料的壓實度。

（3）當路基填方高度過大或者地質條件較差時，一般采用水泥攪拌樁復合地基法進行處理，樁體梅花形布置，樁間距1.5m，樁徑為0.5m，單樁承載力不小于130kN。

（4）按照臺階開挖線，由上到下分級開挖各級臺階。當?shù)鼗探Y一段時間，路基壓實找平后，才開始下一級臺階的開挖。為了保證新舊路基的整體穩(wěn)定性，一般在臺階開挖后，利用土工格柵和土體之間的嵌固咬合作用，通過鋪設土工格柵，加強新舊路基之間的銜接。開挖臺階的參數(shù)為：臺階坡度為橫坡內(nèi)傾4%，豎向內(nèi)傾15°；上部臺階寬100cm，高82cm；坡腳處臺階寬175cm，高142cm。

（5）為進一步減少新舊路基之間的差異沉降，可以選擇在臺階處隔級布設微型樁，在臺階開挖后進行施工。

3 現(xiàn)場沉降監(jiān)測及差異沉降控制技術

土工格柵長度及分部填筑高度均為影響路基分部填筑施工效果的重要影響因素，通過現(xiàn)場試驗，對不同土工格柵長度及分部填筑高度下分部填筑路基的沉降特性進行研究?，F(xiàn)場利用沉降板對新舊路基連接及坡腳處沉降值監(jiān)測，如圖2所示。

圖2 沉降板

3.1 不同土工格柵長度

采用分部填筑技術，先填筑新路基的第一部分，然后填筑新路基的第二部分，在路基分部填筑高度為4m的前提下，從上到下依次開挖4級臺階，臺階高度分別為1.2m、0.5m、0.85m、1.45m，土工格柵鋪設在第一級臺階地面，土工格柵的長度分別4m、6m、8m，如圖3所示。

圖3 不同土工格柵長度（單位：mm）

不同土工格柵長度下，路基的沉降值隨時間變化的曲線如圖4所示。

圖4 不同土工格柵條件下路基沉降曲線

由圖4可知，隨著時間的增加，不同土工格柵長度條件下，路基的沉降值逐漸增大，但沉降速度先增大后減小，且不同土工格柵條件下路基的最終沉降值相差不大：土工格柵長度為4m時，路基的最終沉降值為21.5m；土工格柵長度為6m時，路基的最終沉降值為24.1m；土工格柵長度為8m時，路基的最終沉降值為23.2m；這是由于土工格柵的位置為路基頂面，土工格柵長度對加寬路基坡腳處沉降值影響不大。

3.2 不同分部填筑高度

老路基邊坡開挖4級臺階，并在路床地面鋪設6m土工格柵。路基分部填筑高度分別為3m、4m、5m、6m，臺階自上到下分別為：第一級臺階（高度1.2m）、第二級臺階（高度為總填筑高度減其他三級臺階高度）、第三級臺階（高度0.85m）、第四級臺階（高度1.45m），如圖5所示。

圖5 不同填筑高度（單位：mm）

不同填筑高度下，路基頂面處側沉降值如表1所示。

表1 不同填筑高度下路基頂面處側沉降值

由表4可知，路基頂面的沉降值隨著距離老路基中心線位置的不同最大沉降值也不同，且隨著路基填筑高度的增加，沉降最大值向新路基路肩處移動，地基沉降的速率逐漸降低：當路基填筑高度為3m時，路基頂面最大沉降值17.8cm，距離老路基中心線約16m；當路基填筑高度為4m時，路基頂面最大沉降值20.1cm，距離老路基中心線約18m；當路基填筑高度為5m時，路基頂面最大沉降值22.3cm，距離老路基中心線約20m；當路基填筑高度為6m時，路基頂面最大沉降值24.1cm，距離老路基中心線約24m。且隨著路基填筑高度的增加，路基頂面最大差異沉降值也逐漸增大，但增加幅度降低：路基高度從3m到6m每增加1m，最大差異沉降分別增加12.9%、10.9%、8.1%。

這是由于，隨著路基填筑高度的增加，地基土體壓縮模量逐漸增加，路基固結程度升高，可壓縮性降低，從而導致路基沉降速率變慢。另外，在分部填筑路基自重應力作用下，路基下部地基土體的應力擴散，進一步提高路基填料固結程度，沉降值增加。

3.3 路基差異沉降的控制技術

加寬路基差異性沉降可通過路基填料選擇及壓實度等方面進行控制。

3.3.1 路基填料選擇

新建路基填料盡量選擇水穩(wěn)定性好、壓縮性小的土體，且料源地距離施工現(xiàn)場不宜過遠、料源豐富。另外，還可以對路塹開挖土體進行篩選，合格后進行利用，取土地盡量選擇非生產(chǎn)用地或者山坡位置（確保邊坡穩(wěn)定）。路基填料需具有均勻特征、密實特征、高強度等特征，如表2所示。

表2 路基填料強度及最大粒徑要求

3.3.2 壓實度

壓實可以保降低路基填料壓縮性，提高路基填料的抗剪強度，使得路基在反復荷載作用下變形減少，從而提高新舊路基整體的穩(wěn)定性。另外，壓實還可以增大路基具有的回彈模量，有效減少路基在長期荷載作用之下產(chǎn)生的回彈變形幾率，不同路基部位處的壓實度要求如表3所示。

表3 壓實度要求

4 結論

本文以邢臺高速改擴建工程為工程背景，在傳統(tǒng)水平分層填筑技術的基礎上，針對高速公路改擴建過程中遇到的差異性沉降等問題，在土力學應力路徑理論基礎之上，提出了分部填筑施工技術，并對分部填筑施工技術的施工要點進行了介紹。然后通過現(xiàn)場試驗，對不同土工格柵長度及分部填筑高度條件下，改擴建路基的沉降進行了研究，最后從路基填料的選擇及壓實度兩方面對路基的差異性沉降進行控制，得到以下結論：

（1）路基分部填筑技術是在距離舊路基邊坡一定范圍內(nèi)分層填筑第一部分新路基，當新填筑路基碾壓固結穩(wěn)定后，在新舊路基之間填筑第二部分新路基填料，可以平衡老路基的滑動力矩，提高新舊路基的整體穩(wěn)定性。

（2）隨著時間的增加，不同土工格柵長度條件下，路基的沉降值逐漸增大，但沉降速度先增大后減小，且不同土工格柵條件下路基的最終沉降值相差不大；路基頂面的沉降值隨著距離老路基中心線位置的不同最大沉降值也不同，且隨著路基填筑高度的增加，沉降最大值向新路基路肩處移動，地基沉降的速率逐漸降低。

（3）加寬路基差異性沉降可通過路基填料選擇及壓實度進行控制。