軟基條件下高速公路路基拓寬工程施工控制技術研究

梁玉榮

（山西省公路局 太原分局，山西 太原 030012）

0 引言

在路基拓寬工程施工中，由于新舊路基施工工況不同，其均勻性、穩定性、強度均不同，尤其在軟基條件下，若在施工過程中處理不當，極易造成不均勻沉降，導致路基在運營過程中產生縱向裂縫、翻漿等病害，嚴重威脅行車安全，造成社會資源浪費。

為此，國內外學者們針對高速公路路基拓寬施工技術已開展了大量而深入的研究工作，取得了一系列的科研成果。蔣洋[1]針對路基拓寬工程中新舊路基不均勻沉降的病害，利用數值模擬和室內模型手段分析其產生機理、變形規律，并有針對性地提出了處治方案；呂勇[2]結合葉信高速公路路基拓寬工程，提出了路基拓寬工程的設計原則，探討了路基拓寬施工技術；嵇如龍[3]依托某軟土地基路基拓寬工程案例，針對其不均勻沉降及路面開裂病害，深入分析其現場監測數據，提出處治方案；夏英志[4]結合鄭漯高速路基拓寬工程案例，針對其施工病害，提出路基拓寬變形協調控制原則，深入分析了處治措施及效果。

本文依托某軟基條件下高速公路路基拓寬工程，深入分析其工程特性，有針對性地制定“強夯法+增設土工格室或土工格柵”的施工控制技術，并利用有限元軟件模擬分析其施工控制效果，其研究成果可為類似工程提供技術支撐。

1 工程概況

某高速公路為雙向四車道，其原有路基填高8 m，路基頂面寬度為26 m，路基邊坡坡率為1∶1.5。近年來隨著國民經濟的快速發展，該高速公路交通量劇增，實際交通量已遠超設計交通量。根據交通規劃，將原有四車道改建為雙向八車道，原路基寬度26 m拓寬為42 m，設計時速由100 km/h改為120 km/h，從而減緩當前擁堵狀況。

該路基工程地處中山丘陵地帶，屬于河谷堆積地貌，由于該工程位于嘉陵江流域，地表水系發育，地下水類型主要為基巖裂隙水、第四系松散堆積體孔隙水，其對路基工程影響較大。路基巖性以砂性泥巖為主，其以黏土礦物質為主，含有少量石英、鈣泥質，呈薄層狀構造，且其風化程度高，節理裂隙發育，巖體較為破碎，局部呈粉末狀、碎塊狀，其具有脫水干裂、浸水軟化的特性，屬于典型的軟弱地基，其具體情況如圖1所示。

圖1 路基拓寬施工現場情況

2 施工控制技術

為減小本項目路基拓寬工程中新拓寬路基部分的沉降量，減小或消除新舊路基的差異沉降，避免路基運營后產生裂縫、翻漿等病害，結合本項目的實際情況，經專家論證后，采用軟弱地基換填砂礫石，并進行強夯處理，并增設土工格柵和土工格室。

2.1 強夯法

強夯法的基本原理在于其利用履帶式起重機將夯錘起吊，夯錘通過自由落體將勢能轉換為動能。在夯錘下落過程中，勢能不斷轉換為動能，當夯錘作用于路基土體時，動能大部分轉換為壓縮功，對路基土體產生壓縮作用，其余一部分轉換成聲波，另一部分與土體摩擦產生熱能。因此，通過強夯處理后，路基土體孔隙比大幅下降，壓縮模量、承載力大幅提高，增加了新舊路基的均勻性，消除不均勻沉降。

圖2 強夯施工現場情況

2.2 增設土工格室或土工格柵

為進一步增大新舊路基之間的橫向連接，提高路基承載力，避免新舊路基的不均勻沉降，本項目在路基拓寬施工過程中，強夯完成后，增設土工格室或土工格柵，形成土體加筋體，當路基承受荷載時，加筋體共同受力，筋材與周圍土體產生相對應變，進而產生相對摩擦，提高了路基的整體強度。

根據本項目的實際情況，在試驗段K52+700—K53+200共計500 m加鋪土工格室。該土工格室高度為100 mm，焊接間隔為（300×300）mm，其筋材厚度為1.2 mm，其具體情況如圖3所示。在其施工過程中，應嚴格控制填料粒徑，不得大于12 mm；嚴禁直接用運料車將填料傾倒入土工格室內，避免砸壞土工格室，應人工配合慢慢填筑；填筑高度超過土工格室高度10 cm后，再進行碾壓夯實。

圖3 土工格室現場鋪設情況

由于土工格柵縱橫向均具有較強的承載能力，結合本項目的實際情況，選取試驗段K54+800—K55+600共計800 m加鋪兩層土工格柵。在強夯完成后鋪設第一次土工格柵，并用“U”型釘將其固定在路基表面，回填砂礫石25 cm厚，分層碾壓后，將露出部分（長度不小于30 cm）折回后用“U”型釘固定在該碾壓層表面，然后鋪設第二層土工格柵，依次類推，從而形成加筋體，其具體情況如圖4、圖5所示。

圖4 土工格柵結構示意圖

圖5 土工格柵布設位置示意圖

3 施工效果評價

為全面評價本項目所采用的施工技術對路基拓寬差異沉降的控制效果，采用數值模擬手段，分別模擬分析強夯（工況1）、強夯+增設土工格室（工況2）、強夯+增設土工格柵（工況3）3種工況下路基沉降情況。鑒于研究對象在幾何上為中心對稱結構，因此只取右半幅路基進行模擬分析[5]。在本模型中，路基高度為8 m，路基半幅寬度為13 m，路基拓寬部分寬度為8 m。在邊界方面，模型左右兩側及下表面為限定邊界，上表面為自由表面，其相關材料物理力學參數如表1所示，所得模擬分析結果如圖6～圖8所示。

表1 路基材料相關物理力學參數

圖6 工況1路基沉降云圖

圖7 工況2路基沉降云圖

圖8 工況3路基沉降云圖

從圖6～圖8中可以看出，當對拓寬路基僅施作強夯時，其沉降范圍較大，已導致坡腳處產生較大范圍的沉降，極易引起路基整體剪切破壞；沉降最大值產生在拓寬路基靠近邊緣一側，其最大值達到了13.53 cm。當采用強夯+增設土工格室的施工技術后，路基沉降范圍明顯減小，僅分布在路基邊坡處，但仍存在路基垮塌、滑移的危險；其最大值分布在拓寬路基靠近邊緣一側，其最大值為7.07 cm，較僅施作強夯法的路基沉降最大值減小47.7%。當采用“強夯+增設土工格柵”時，其沉降范圍大幅減小，僅在拓寬路基處產生沉降，其最大值為4.62 cm，較僅施作強夯法的路基沉降最大值減小65.9%?？梢?，僅采用強夯處理時，無法避免新舊路基的差異沉降，且強夯荷載作用下新路基導致該側產生大范圍沉降，不利于整體穩定；而當采用增設土工格室或土工格柵后，增大了新舊路基的橫向連接，提高了路基整體承載力；由于土工格柵較土工格室具有更強的土體變形協調的能力，采用土工格柵后，產生更大的摩擦力，其路基整體穩定性更強。

4 結論

本文結合某軟基條件下高速公路路基拓寬的工程案例，總結分析其工程特性，有針對性地提出施工控制方案，并利用數值模擬手段對施工控制技術進行全面評價，得出以下幾點結論：

a）對拓寬路基僅施作強夯時，無法避免新舊路基的差異沉降，且強夯荷載作用下新路基導致該側產生大范圍沉降，不利于整體穩定。

b）采用強夯+增設土工格室的施工技術后，路基沉降范圍明顯減小，僅分布在路基邊坡處，但仍存在路基垮塌、滑移的危險。

c）采用增設土工格柵后，增大了新舊路基的橫向連接，提高了路基整體承載力，使其具有更強的土體變形協調能力，路基整體穩定性更強。