公路改擴建工程新舊路基銜接處施工質量控制研究

王瑜

（廣西南寧市江南區公路水路建設養護中心，廣西 南寧 530031）

0 引言

盡管高速公路改擴建項目已經開展了很多年，但是在凍土地區，改造和改建嚴重凍土區的技術還不夠成熟，還在摸索中。例如一些項目建成通車后，路面在拓寬后會產生縱裂，這不但要花費大量的資金解決這個問題，還會給承建的公司帶來不利的影響。為此，對于公路改擴建中的新舊路基銜接問題，應注重路基拓寬質量，盡量保證銜接位置不會出現裂縫。文獻［1］提出了改擴建新舊路基拼寬差異性沉降控制技術，通過分析不良地質段極易產生差異性沉降的位置，處理路基。采取沉降觀測方法、采集和整理相關數據，完成新舊路基銜接施工；文獻［2］研究非均勻沉降對道路結構機械性能的影響與控制方法，使用數值模擬方法對不均勻沉降位置分析，并對新舊路基銜接處進行標準控制。然而，上述兩種方法針對的是路面不均勻沉降方面的研究，缺少道路內部產生額外附加應力影響分析，導致施工質量控制效果不佳。為此，本文提出了公路改擴建工程新舊路基銜接處施工質量控制方案。

1 工程概況

本文以廣西某條南北通向海洋的公路為例，該公路位于南寧市的橫縣云表鎮，總長度為159.8 km，是由雙向四車道組成的公路，瀝青砼鋪面。舊路加寬改建時，新舊路基的固結度差異會引起路基的側向不均勻沉降，從而引起路面的裂縫和損壞。地基土是一種非線性的彈塑性變形體，其受力后既有彈性變形，又有一定的塑性變形。在受力作用下，塑性變形會逐步累積。在行車道中央輪跡帶附近，路基土在承載力大的情況下，會產生很大的載荷。在不同的條件下，地基的塑性累積變形比其他部位都要大，從而造成不同的地基變形。

在舊公路加寬改建工程中，對地基的沉陷及路基的穩定性進行分析是十分必要的。沉降法是指在基坑開挖時，使新基坑的沉降速度加快，或采用相應的措施控制基坑的側向位移，以減小基坑的工后沉降。在穩定性方面，為了改善路基的抗剪承載力，需要對新建路基進行加固處理。

2 道路內部產生額外附加應力對不均勻沉降影響分析

公路改擴建工程新舊路基受到額外作用力影響，會出現不均勻沉降問題，其中額外作用力是橫向附加應力。應用Flac3d有限差分軟件模擬公路改擴建工程新舊路基沉降對路面結構的影響（如圖1）。

圖1 基于Flac3d有限差分軟件的路基沉降影響示意圖

由圖1可知，通過對新鋪設的路面進行分析，發現在不同的沉降條件下，新鋪設的路面會出現水平應力，而在不同的荷載作用下，瀝青路面的表層會受拉應力，而水平應力也會隨之增加［3］。在路面底層的附加張應力比其極限拉伸強度大的情況下，會產生裂紋，并繼續向上延伸，直到完全開裂，從而造成路面損壞。因此，必須對道路內部產生額外附加應力對不均勻沉降影響問題展開深入研究［4］。

不均勻沉降下的水平拉應力數值統計結果見表1。

表1 不均勻沉降下的水平拉應力

從表1分析可以看出，在不均勻沉降情況下，基層和底基層的水平拉應力會沿著公路橫向而逐漸增大，直到達到最大值后再逐漸減小［5］。在不同的沉降情況下，橫向附加應力也會增大。在道路上，最大橫向附加應力與最大差值沉降均為線性。采用線性內插方法可以發現，在路基處，當橫向附加拉應力比極限拉伸強度大時，會出現拉伸裂紋［6］。

路面在不斷地經受著汽車等外界荷載的作用，在路基的荷載作用下，產生了裂紋，并逐步向裂縫蔓延［7］。因此，道路強度與其允許應力的關系如下：

式（1）中，TP表示路基結構拉應力；表示路基抗拉強度系數；MR表示路基結構強度。

瀝青混凝土材料和無機結合料抗拉結構系數按如下公式計算：

3 公路改擴建工程新舊路基銜接處施工質量控制方案

3.1 新舊路基銜接處不均勻沉降等級劃分

在綜合考慮路面結構材料的極限抗拉強度后，將其作為控制裂縫的重要因子。當新路面在加寬后產生的不均勻沉降超過一定的臨界值后，其下層的張應力比基層的穩定碎石強度要大［9-10］。充分考慮路面材料的疲勞影響，在拓寬后新鋪面上的差異沉降比設置的臨界點大時，相應的斜坡變化率小于0［11］。在此基礎上，將地基穩定碎石的拉應力作為控制指標，對不均勻沉降進行了精確的控制，最終沉降量計算公式如下：

在增大的附加應力的情況下，新舊路基的沉降曲線呈勺形，即在老路中心的舊路最少，而地基的擴展則是最大的。從上述基礎附加應力出發，可以確定新路基的最大、最小值，也就是新路基的重心和舊路基的重心，二者的不同之處是由于新舊地基的基礎拓寬而產生的最大差別［12］。

新舊路基沉降量計算公式如下：

式（5）中，G1、G2分別表示路面拓寬前后地基固結度；H舊表示舊地基總沉降量。

以不均勻沉降及其相應的斜坡變動率為上限，將加寬和改擴建兩側道路基底的不均勻沉降進行了歸類，表2中顯示了歸類結果。

表2 不均勻沉降等級劃分

由表2可知，在1等級的沉降級別下，一般認為路基不會出現明顯的損壞，無須采取相應的防護措施；在2等級的沉降級別下，則應采取相應的預防措施，避免因不同沉降引起的路基變形而引起的損害。在公路路基的加固中，常采用強夯法［13］；在3等級的沉降級別下，路面將產生裂縫和破壞，必須采取灌漿等措施進行加固；在4等級的沉降級別下，路面的裂紋十分嚴重，應采取多種措施聯合進行加固［14］。

3.2 新舊路基銜接處施工步驟控制

根據新舊路基銜接處不均勻沉降劃分的等級，設計新舊路基銜接處施工控制步驟如下。

步驟1：原有路基挖臺階。為提高新、舊路基的整體穩定性，應在填筑之前對原有路基進行開挖。圖2顯示了臺階的具體尺寸和位置。

圖2 原有路基挖臺階

在原有的斜坡上，采用一次開挖加寬坡腳的方法，將斜坡的縱向厚度在30 cm左右的坡面上進行一次開挖，以拓寬路基肩部。拓寬后的路基在距路基頂面80 cm處進行了開挖。在硬路肩開挖后，對原有的路基進行填筑。如符合要求，進行填筑［15］。

步驟2：對新舊路基結合部強夯。為強化新老路基的結合，必須在路基頂部下進行80 cm、20 cm的加固。

步驟3：新舊路基結合處鋪土工格柵。為減小新老路基沉降差，采用了鋼塑復合網格網作為土工格柵。在此基礎上，采用土側受壓后的應力，以降低銜接處開裂的可能性。

土工格柵的鋪設過程如下：①由于施工中對路基的平整性有很高的要求，所以在進行土工格柵施工之前，應嚴格控制填料的顆粒尺寸，以及碾壓后的平整程度，以便更好地施工。②將切割好的土工格柵按順風方向進行分層布置，使每層土工格柵橫向堆砌10 cm，再用“U”形鋼板夾具將土工格柵釘在路基上。為了避免土工格柵的移位，每隔2 m用一根“U”形的釘子。③在鋪設完土工格柵后，應選擇低干密度或高顆粒物質的山區土和石渣。在實際施工過程中，由于填料的干密度過低，造成翻滾困難，從而影響工程進度；顆粒過大，則會破壞網片的經緯方向，造成機械損壞，從而影響網片的使用效果。在這一層中，最好使用強烈的風化砂石。④卡車不能通過已經鋪設好的土工織物，填充物應由一端或兩側開始，并逐漸覆蓋。⑤當填料的厚度達到某一程度時，用平地機器把它弄平，并注意防止劃傷的圍欄。通過對其進行調整，以滿足其致密要求。

基于上述步驟，完成公路改擴建工程新舊路基銜接處施工質量控制。

4 實驗

為了驗證公路改擴建工程新舊路基銜接處施工質量控制研究的有效性，采集、整理并分析實驗數據。選取K101+550-K101+580斷面為觀測對象，在每次添加路基過程中，就需觀測一次沉降深度。當路基添加到指定高度后，需每隔一個月再觀測一次沉降深度。半年內路基沉降深度如圖3所示。

由圖3可知，在1.5 m處的沉降量，隨著時間增加，沉降深度由0變為-0.4 mm；在9.5 m處的沉降量，隨著時間增加，沉降深度由0變為-0.7 mm；在21.5 m處的沉降量，隨著時間增加，沉降深度由0變為-4 mm。

圖3 半年內路基沉降深度

基于此，分別使用改擴建新舊路基拼寬差異性沉降控制技術、基于數值模擬的非均勻沉降控制方法和基于Flac3d的新舊路基銜接處施工質量控制方法，對比分析不同處沉降量下的沉降深度（如圖4）。

由圖4（a）可知，使用改擴建新舊路基拼寬差異性沉降控制技術，沉降深度最大值為-0.5 mm；使用基于數值模擬的非均勻沉降控制方法，沉降深度最大值為-0.7 mm；使用基于Flac3d的新舊路基銜接處施工質量控制方法，沉降深度最大值為-0.4 mm，與實際數值一致。

由圖4（b）可知，使用改擴建新舊路基拼寬差異性沉降控制技術，沉降深度最大值為-1 mm；使用基于數值模擬的非均勻沉降控制方法，沉降深度最大值為-2 mm；使用基于Flac3d的新舊路基銜接處施工質量控制方法，沉降深度最大值為-0.5 mm，與實際數值相差0.2 mm。

由圖4（c）可知，使用改擴建新舊路基拼寬差異性沉降控制技術，沉降深度最大值為-3 mm；使用基于數值模擬的非均勻沉降控制方法，沉降深度最大值為-4.3 mm；使用基于Flac3d的新舊路基銜接處施工質量控制方法，沉降深度最大值為-4 mm，與實際數值一致。

圖4 3種方法沉降深度對比分析

通過上述分析結果可知，使用基于Flac3d的新舊路基銜接處施工質量控制方法，對于沉降深度具有精準控制效果。

為了進一步驗證控制方法具有良好控制效果，分別使用3種方法對比分析壓路機收邊前后壓實度，對比結果見表3。

由表3可知，使用改擴建新舊路基拼寬差異性沉降控制技術，在不同樁號下壓實后的最大值為98.3%，與實際數據最大值相差1.4%；使用基于數值模擬的非均勻沉降控制方法，在不同樁號下壓實后的最大值為98.0%，與實際數據最大值相差1.7%；使用基于Flac3d的新舊路基銜接處施工質量控制方法，在不同樁號下壓實后的最大值為99.6%，與實際數據最大值相差0.1%。由此可知，使用基于Flac3d的新舊路基銜接處施工質量控制方法，對壓路機收邊壓實也具有良好控制效果。

表3 3種方法前后壓實度對比

5 結語

隨著我國經濟的快速發展，道路改擴建工程將會不斷增多，但目前我國在改擴建道路上尚無一套行之有效的規范，為此研究了一種公路改擴建工程新舊路基銜接處施工質量控制研究方法。采用有限元軟件分析方法，對不同沉降條件下的加寬路面進行了應力分析，并對其進行了控制。該方法有效地解決了新舊路基重疊處因沉降不同而引起的路面損壞問題，為高速公路安全施工提供了保障。在未來發展中，機器視覺技術聯合3D打印技術一體化解決公路路基沉降問題值得期待。