土工加筋處理技術在高速路基拓寬改造中的應用

高 紫 君

(山西遠方路橋(集團)有限責任公司，山西 大同 037006)

1 概述

21世紀初期至今，省內高速公路建設實現跨越式發展，省內高速公路通行骨架基本建成，局部高速路網加密正不斷完善；在經濟發展新常態背景下，高速公路對省內實現轉型升級發展具有重要意義和作用。既有線路已經服役多年，在長期車輛荷載和自重等因素的耦合作用下，既有線路的沉降固結作用已接近尾聲，且原有路基結構的雙側坡腳與原地基已固結完全；對既有線路進行拓寬改造后，新填筑路基的沉降由附加自重和上部車輛荷載作用引起，在路基擠壓和固結作用下，會出現明顯的豎向及側向沉降，由于新舊路基銜接位置的沉降值差異明顯，二者變形無法協調，在銜接位置將出現嚴重的應力集中問題，一旦銜接位置的集中應力大于路基土體的抗拉強度值，將引起開裂、脫空等病害，最終影響路基整體結構的承載能力及變形剛度，嚴重影響行車平順性。綜上，為了解決拓寬改造路基的開裂病害，提升路基結構的整體性和穩定性，應對銜接位置進行必要的加固處治，借助土工加筋處理技術能夠最大程度控制新舊路基結合位置的不均勻沉降水平，能夠有效緩解結合位置的集中應力現象。

2 高速路基拓寬改造中路基不均勻沉降分析

拓寬改造后路基開裂病害主要表現為橫向及豎向開裂兩種形式，實地調查省內眾多改擴建項目可知，絕大多數以縱向開裂為主，且裂縫發展傾向于舊路基位置。以省內某高速公路拓寬改造項目為例，該項目地處平原地區，考慮到本工程項目地質結構良好，土基承載能力滿足要求，新舊路基荷載作用下的不均勻沉降主要表現在新舊路基的壓縮變形和新舊路基結合位置的抗拉強度不足兩方面。

高速公路路基拓寬改造施工時，若拓寬路基填方高度數值較大且壓實度指標較低時，在拓寬路基自重荷載作用下，路基材料的壓縮形變基本完畢；新填筑路基的壓縮變形自由量較大，綜上，施工位置工程地質較好的前提下，新填筑路基的壓縮變形占上風。拓寬路基壓縮變形原理如圖1所示。

除了新填筑路基材料的壓縮變形值較大之前，新舊路基銜接位置的抗拉強度值不滿足要求也是引起二者不均勻沉降的主要因素之一。銜接位置抗拉強度值較低容易導致結合位置出現不同程度的錯臺和滑動，由于銜接位置的應力集中現象顯著，錯臺和滑動病害將繼續發展成為結構失穩和承載失效。圖2為新舊路基銜接位置抗拉強度不滿足要求引起的路基病害圖。

3 土工加筋理論及作用機理分析

在高速公路路基拓寬改造施工過程中，新舊路基銜接位置引起的不均勻沉降將嚴重影響加寬后路基結構的承載能力、變形剛度及穩定性；在省內控制施工過程中，常用的處治措施有：臺階法、加筋處理法、復合地基處理法等，本文以省內某高速公路拓寬改造項目為例，著重分析了加筋土在拓寬改造路基處治過程中的應用。

3.1 土工加筋基本理論

土工加筋材料主要指的是由人工聚合物制成的各種高強度、高彈性模量產品，在巖土工程及各種基礎處治中應用廣泛，常用的土工合成材料可細分為土工類編織物、土工覆蓋膜、土工合成材料及復合土工材料四類；在路基加固處治施工過程中，常用的土工合成材料有土工格柵和土工格室兩種。土工格柵與土工格室分別如圖3，圖4所示。

3.2 土工加筋作用機理分析

在省內高速公路拓寬改造施工過程中，常用的處治加固技術有兩種，即：土工格柵加筋處治技術和土工格室加筋處治技術。土工格室材料是基于土工格柵發展演變而來，其中，土工格柵使用最為普遍，為了能夠控制新舊路基結合位置的不均勻沉降病害，可使用滿足拉壓受力特性的鋼制格柵，以提高土工格柵的工程特性。土工格柵的加固機理可以簡述為摩阻加筋原理，土工加筋加固結構在填筑路基土體自重和上部荷載的耦合作用下，土工格柵能夠承擔來自土體的拉壓應力，若土工格柵的正交方向存在從路基中滑移的相對運動趨勢時，路基填筑料的法向摩阻力增加，可認為是土工格柵和加固路基土體之間存在眾多嵌鎖剪力鍵，且剪力鍵抗剪強度與法向相對滑移趨勢呈正相關關系。摩阻加筋處治原理邏輯合理，在變形剛度值較大的加筋土體中得到普遍使用。土工格室加固材料與土工格柵相比最明顯的特點為，土工格室屬于典型的三維結構，土工格室能夠和路基填筑料相互擠壓、作用。土工格室結構具備較高的抗彎和抗壓性能，能夠改變拓寬路基結構的應力分布情況；此外，借助土工格室的側向約束作用，能夠限定路基土體結構的橫向及豎向位移變化值，最大程度降低路基土體結構的變形值，改善拓寬后路基結構的不均勻沉降量。

4 工程項目案例

選取省內東南部高速干線網某支線拓寬改造升級工程項目為研究案例，對應的改擴建施工標段為K40+100～K350+225。圖5為拓寬改造施工現場情況。

為了能夠最大程度適應新舊路基銜接位置的不均勻沉降大范圍變化要求，擬在本工程項目新舊路基結合位置選用柔性土工格室進行加固處治。土工格室的相鄰焊接點位距離應不低于400 mm，且土工格室實際高度值宜取值為100 mm，土工格柵單塊板厚度值取1.5 mm；為了能夠滿足新舊路基結合位置的應力重分布要求，土工格室材料的抗拉壓強度值應不低于25 MPa，且抗拉壓彈性模量值應不低于600 MPa，低溫環境下的脆性標準應滿足-50 ℃標準。圖6為土工格室施工現場情況。

施工流程應嚴格遵循《高速公路標準化施工技術(路基工程部分)》相關要求，應在新舊路基銜接位置開挖臺階，并在每一臺階臺面均勻分布土工格室，為了保證土工格室與路基土體之間的可靠連接特性，回填路基土應充分整平夯實，并在臺階端部位置加設固定插銷，借助固定插銷的抗剪強度提高二者之間的連接性能，防止在上部荷載與自重的耦合作用下導致土工格室與路基回填土連接失效。土工格室在敷設過程中原則上不允許施加預應力，以防止土工格室出現大變形而喪失固結作用；鋪裝土工格室應采用灌砂法測定拓寬改造位置的壓實度指標，開挖成孔過程中應避開土工格室端部材料，盡量在中間位置成孔。

經施工現場監測數據表明，敷設土工格室后的各個斷面中，最大沉降值出現在拓寬路堤的路肩位置，這一現象說明，土工格室的應力擴散效率較高，能夠使新填筑路堤成為一個整體，以降低新舊路基結合位置的不均勻沉降值。

5 結語

興建項目前期投入大、環境影響顯著，不利于區域可持續發展；為了能夠在短期內快速擴充運力，并最大程度壓縮投資，既有線路改擴建施工成為當前工程界普遍使用的一種方式。文章以省內某高速公路拓寬改造項目為研究案例，對土工加筋處理技術的不均勻沉降控制機理進行分析，著重對土工格室在拓寬路基改造施工中的具體應用進行分析，以提升省內既有高速公路的拓寬改造施工質量。