公路改擴建中新老路基差異沉降控制技術研究

周游

(湖南省高速公路集團有限公司， 湖南 長沙 410026)

公路擴建改造后，拓寬路堤的病害較多出現在新老路基交接處，主要為縱向裂縫，是由新老路堤不均勻沉降及搭接效果差導致新老路堤整體性較差造成的。受新老路堤不均勻沉降影響，路面產生裂縫，雨水浸入路面、路基，會導致一系列病害，使路面失去工作性能，新老路堤交界處產生滑移，嚴重時造成滑坡、沉陷等病害。因此，合理處治新老路堤交接處十分重要。該文針對實際工程中新老路基拼接的關鍵技術進行現場試驗，并對沉降差異進行觀測。

1 工程概況

某二級公路改擴建為雙向四車道一級公路，設計速度80 km/h，路線長度18.078 km。路基主要采取半幅加寬的方式，輔以兩側加寬。設計線形與老路基本一致，設計標高除一些平面交叉口位置低于老路外，原則上以高于老路路面30 cm左右控制。路基設計寬度21.5 m，其中路面寬2×2×3.75 m，硬路肩寬2×1.5 m，路緣帶2×0.5 m，中央分隔帶寬1 m，土路肩寬2×0.75 m。

沿線沒有滑坡、泥石流、采空區等不良地質病害，不良地質主要是巖溶、構造破碎帶、軟土路基、全風化紅砂巖、花崗巖及其殘坡積層等。

2 老路基現狀評價

2.1 老路面路基現狀

老路路面結構層為原面層、水穩層及大修面層，厚70～80 cm，均為水泥砼結構；路面病害以路面結構斷板、裂縫類為主，存在少量破碎板、邊角剝落、唧泥及坑槽等病害。

路基土上部為黏性土，厚1.0～10.4 m，其結構較密實，稍濕，未發生浸水軟化破壞；下部多為紅砂巖、花崗巖、板巖、巖石碎塊石等的殘坡積層，稍濕，未見水浸軟化現象；基底為可硬塑狀粉質黏土或強風化巖，基底巖土層滿足路基承載力要求。全線路堤較穩定，少數挖方段出現坍塌、虧坡。

2.2 老路面路基病害評價

(1) 老路路面存在大量斷裂類病害(交叉裂縫、角隅斷裂、縱橫斜向裂縫)，接縫傳荷能力為中、次區間的比例達70%，傳荷能力總體較差，板底脫空比例大于25%，板下基礎支撐均勻性差，不能利用。

(2) 強風化紅砂巖和全風化花崗巖填料路基段壓實度達不到規范要求，個別點為95%，其余均遠低于規范值，最低值為83.2%。

(3) 老路路基土的濕度較大，濕度最低值為19.78%，最高值達26.8%，挖方路段含水量大于填方路段。個別路段路基土處于干燥和中濕狀態，絕大部分路段處于過濕狀態。

(4) 老路路基整體較穩定，未發生軟化等現象，壓實度一般，可根據后期檢測情況對老路基進行處治后加以利用。

(5) 公路老路基的承載能力在運營多年后衰減嚴重，表現為路基濕化嚴重、壓實度減小、回彈模量降低、路基路面病害較多。

(6) 隨著時間的推移，路基含水率由施工時的最佳含水率變為平衡含水率，而平衡含水率接近填料的塑限。含水率升高導致填料干密度減小，加上行車荷載作用，導致回彈模量降低，造成路基整體剛度下降。

3 新老路基拼接方案

3.1 軟土地基預處理

公路改擴建工程沿線填方路基基本位于水塘、水田、種植土內，大多軟土較發育，地下水位較高，地表清晰可見明水。軟土土質為淤泥質土，天然含水量高，呈軟塑狀態，局部呈流塑～軟塑狀。軟土厚度為1～7.6 m，土質軟弱，物理力學性質較差，承載力極低，易產生路基不均勻沉降，不利于路基的穩定。為確保路基穩定、減小路基不均勻沉降，針對不同深度軟土，采用清淤換填法、水泥攪拌樁法進行處理。

(1) 清淤換填施工。采用挖掘機將軟土挖除干凈并將底部整平，軟土底部開挖寬度不小于路堤寬度和放坡寬度，回填中不得有軟土參雜或有水碾壓，以免造成彈簧或缺陷地基，同時加強路基兩側排水。采用推土機配合平地機攤鋪塊石并用碎石嵌縫，攤鋪完成后，先用壓路機靜壓1遍，然后振動碾壓3遍，直到頂面穩定、無下沉、無明顯輪跡，達到石塊緊密、平整、無彈簧的狀態(見圖1)。

圖1 清淤回填、填前壓實示意圖

(2) 水泥攪拌樁施工。對于軟土厚度超過3 m的加寬路段，采用水泥攪拌樁處理。水泥攪拌樁采用圓形樁，樁徑50 cm，樁距80 cm，平面按等邊三角形布置，要求水泥攪拌樁向下穿透軟土層并嵌入持力層50 cm。

3.2 老路基增壓補強處理

為保證新老路基拼接質量，每級老路基臺階平面范圍內采用高速液壓強夯機進行增強處理。

(1) 高速液壓夯實機補強原理。高速液壓夯實機通過液壓缸將夯錘提升至一定高度后快速釋放，夯錘在重力作用下加速下落，通過彈性部件及夯板間接夯擊土體，對土體的作用為靜力與動力的復合作用。通過反復擊壓，破壞路基土體的原有結構，使土顆粒之間發生錯動、滑移，并趨于緊密。一方面提高路基的整體性，增強其抵抗變形的能力，減少由地基傳遞到路基頂部的差異沉降，降低結合部路面開裂可能性；另一方面減少路基的工后壓縮變形，減少行車荷載作用下路面結構層產生的瞬時變形和形變積累，增強路面的使用性能，延長路面使用壽命。

(2) 高速液壓強夯機補強試驗。在臺階平面2 m路幅范圍內布設2排呈梅花形的夯點，各夯點相切且夯點中心間距不大于1 m，夯錘落距0.8 m，并對夯坑補碎石進行碾壓補強，確保滿足施工要求(見圖2)。對夯坑深度進行測量，得到夯坑沉降量(見圖3)。從圖3來看，除31#、32#夯坑沉降過大(為20 cm)外，其他夯坑沉降量平均值為7.17 cm，對老路基臺階進行液壓夯實取得了良好效果。

圖2 高速液壓強夯機補強試驗夯坑分布

圖3 高速液壓強夯機補強試驗夯坑沉降量

為進一步分析液壓夯實效果，選擇2列夯坑進行壓實度測試，每列選擇3個測點，均位于老路基臺階面上。測試結果見表1，各夯點壓實度平均增加4%以上，增強效果顯著。

表1 液壓強夯前后壓實度對比 %

3.3 新老路基結合部土工格室加筋處理

3.3.1 土工格室鋪設方案

土工格室在荷載作用下的側向不變形性能對格室內填料的橫向變形起約束作用，構成具有強大側向限制和大剛度的結構體，能有效增強新老路基結合部的承載能力，起到分散荷載作用，從而減小新老路基結合部不均勻沉降。根據相關研究成果，鋪設于路基中部的土工合成材料的效果不如鋪設于路基底與路床底的明顯，且隨著鋪設層數增加，加筋效果提高不很明顯。在試驗段進行現場加筋試驗，研究土工格室的加筋作用。

試驗段選取一段右幅路堤加寬側，長100 m，填高為8.8 m。土工格室共鋪設3層，從下到上依次為D1、D2、D3，其中D1層位于路堤底部(路床頂面以下8.8 m)，D2層處于D1、D3層中間(路床頂面以下5.0 m)，D3層位于路床底部(路床頂面以下1.2 m)。在指定臺階上鋪設土工格室(見圖4)。

圖4 土工格室鋪設示意圖

3.3.2 應變測試結果及分析

路基土工格室加筋寬度為10 m，沿行車垂直方向在土工格室內布設5個測點，每個測點設置一個位移傳感器，3層土工格室共設置15個位移測點。離老路基最近的1#測點位于距離該層開挖臺階立面1.0 m處，1#～5#測點以間距2.0 m依次排列，最外側的5#測點距離該層開挖臺階立面9.0 m。使用JMDL柔性位移傳感器測量埋入路基內部的土工格室應變值，測試結果見圖5～7和表2。

圖5 D1層格室應變

圖6 D2層格室應變

圖7 D3層格室應變

表2 各層格室應變值

由圖5可知：隨著填土高度的增加，1#～5#測點的應變值增大；D1層頂面填土高度達到7.6 m時，各測點應變值達到最高峰；由于其后5個月內該段落暫停填土，各測點應變逐漸減小至某一值。對比1#～5#測點的應變值，1#測點的應變值最小，5#測點的應變值最大，即離老路基開挖臺階立面越遠，格室的應變值越大。

由圖6可知：隨著填土高度的增加，1#～5#測點的應變值增大；D2層頂面填土高度達到3.8 m時，各測點應變值達到最高峰；由于其后5個月內該段暫停填土，各測點應變逐漸減小至某一值。對比1#～5#測點的應變值，3#測點(位于新路基中部)的土工格室應變值較大，兩側測點的應變值較小。

由圖7可知：隨著填土高度的增加，1#～5#測點的應變值增大；D3層頂面填土高度達到1.2 m時，各測點應變值達到最高峰；之后各測點應變逐漸減小至某一值。對比1#～5#測點的應變值，1#測點的應變值最大，5#測點的應變值最小，即離老路基開挖臺階立面越近，土工格室的應變值越大。

綜上，隨著填土高度的增加，土工格室各測點的應變值增大，且增大速率與填土速率成正相關。填筑施工期間，土體沒有充分固結，加上格室受到土體傳遞來的碾壓力，格室應變出現“富余”；填筑施工完畢，格室不再受振動壓路機影響，恢復到正常變形狀態，故應變值穩步下降。縱向比較不同位置的格室應變值，位于路堤底部的D1層格室的最大應變、最小應變、平均應變在3層格室中最大，與前人試驗研究得出的一般鋪設在路基下方的格柵會承擔最大應力，產生最大應變的結論相同。對比3層格室最大應變產生位置，上部D1層土工格室的最大應變發生在5#測點處，中部D2層格室的最大應變發生在中部3#測點處，底部D3層格室的最大應變發生在1#測點處，這3點連線區域處于加寬路堤中剪切力受力最大的區域，連線右上側與左下側存在滑動剪切趨勢，而土工格室的加筋作用有助于防止新老路基的剪切滑動，減小新老路基的不均勻沉降。

4 新老路基變形觀測

對新老路堤路表進行沉降觀測，分析新老路基的拼接效果，觀測結果見圖8。

圖8 路表沉降最大點沉降歷時曲線

由圖8可知：施工完成后新路堤路表沉降速率<2 mm/月，路表沉降趨于穩定。老路堤路表在路床填筑施工期間的沉降速率≤5 mm/d，路表沉降處于可控狀態；施工完成后路表沉降速率<2 mm/月，路表沉降趨于穩定，與新路基側的沉降速率相比較小，但差異沉降不明顯，新老路基拼接效果良好。

5 結論

針對某公路改擴建工程，對新老路基拼接中高速液壓夯實機補強技術及土工格室應用技術進行現場試驗，通過沉降觀測分析拓寬路基后新老路基沉降差異，結論如下：

(1) 對老路基臺階按要求進行高速液壓夯實后，效果較好，老路基臺階壓實度提高4%以上，建議對全線每個老路基臺階均進行液壓夯實。

(2) 土工格室的加筋作用有助于防止新老路基的剪切滑動，增強新老路基結合部的承載能力，起到分散荷載作用，減小新老路基的不均勻沉降。

(3) 擴建施工完成后，全線沉降速率都在規范要求范圍內，擴建公路新老路基拼接效果良好，將高速液壓夯實機補強技術及土工格室鋪設技術應用于新老路基拼接可行。