高速公路改擴建技術的應用研究

陶吉訪

(廣西桂海高速公路有限公司,廣西 南寧 530022)

0 引言

近些年來,隨著我國交通工程建設的不斷推進,高速公路的總里程數迅速增加。但與此同時,對于較早修建的高速公路,由于當時經濟水平以及技術限制,路寬或其他方面已經無法滿足現在的要求,因此需要考慮在原有高速公路的基礎上進行擴建。在此背景下,高速公路改擴建技術得到快速發展。高速公路改擴建主要是指為提高高速公路現有的技術等級,對現有高速公路進行大規模改造[1]。現有的高速公路改擴建技術關鍵在于控制改擴建之后高速公路的工程質量,主要包括擴建后路基的穩定性以及路基的不均勻沉降等方面。路基的穩定性是路基設計的基本要求,對于高速公路的改擴建,關鍵在于對新老路基的連接處這一薄弱位置的穩定性進行控制。新老路基不均勻沉降也是導致改擴建后高速公路出現質量問題的重要因素,不均勻沉降會產生應力集中效應,導致路面裂縫的出現。目前國內外學者在關于高速公路改擴建技術的研究上已經取得了較多成果。王海燕等[2]改進了傳統的分層總和法,提出了基于路基自身壓縮這一理論的分層總和法,這一方法與有限元分析軟件得到的結果相近,且計算方法更為簡單。李默涵[3]研究了軟土路基加寬處理技術,得到一種新的計算方法,可近似模擬加寬路基擴寬部分的沉降。苗貴華[4]基于離心加載這一方法,通過數值計算模擬了高速公路改擴建,得到在擴建工程中新老路面交接位置更易開裂這一結論。畢海江等[5]基于實際高速公路改擴建工程,采用開挖換填、加固擋土墻等多種工程措施,提高擴寬后路基的整體穩定性。本文對目前高速公路改擴建工程可能遇到的問題以及已有的研究成果進行總結,對路基沉降進行了研究,同時以柳州(鹿寨)至南寧高速公路改擴建工程為例,研究了高速公路新老路基連接處的處理技術,以期為高速公路改擴建技術的進一步深入研究提供借鑒。

1 高速公路改擴建工程中路基不均勻沉降的原因分析及路基拼裝技術

1.1 路基不均勻沉降原因分析

在高速公路改擴建工程中,新老路基的不均勻沉降是影響工程質量最主要的因素之一,正確認識其產生原因,計算不均勻沉降的大小,是控制新老路基不均勻沉降的前提。根據已有的研究,導致新老路基不均勻沉降的原因主要有三個,即新老路基之間的自身變形差異,新老路基的基礎固結程度差異以及新老路基之間的結合強度不足。

1.1.1 新老路基的自身變形差異

在最初高速公路設計與修建過程中,大多未考慮后期可能進行的高速公路改擴建工程,因此在進行新路基擴寬時條件受限,新路基的填土壓實度往往達不到要求,導致在運營過程中產生較大變形。而對于老路基來說,因其長期承受自重以及車輛荷載,變形相對于新路基非常小,新老路基之間的自身變形差異就會導致路基整體發生不均勻沉降。

1.1.2 新老路基的固結和沉降差異

當路基土為軟土時,老路基的固結度比新路基高很多,新路基的擴寬會產生新的附加應力,導致新路基的沉降比老路基大很多,從而產生路基的不均勻沉降。

1.1.3 擴建路基結合強度不足

新路基與老路基的物理力學性質不一致,當二者共同受力時會發生變形不協調,當新老路基交接處的結合強度不足時,新路基就會沿接觸面發生下滑,導致路基的不均勻沉降,甚至發生路基整體的破壞。

1.2 路基拼裝技術

高速公路改擴建工程中最易出現的問題就是新老路基之間的不均勻沉降使新老路基接觸位置發生應力集中和錯位,導致路基破壞。因此處理好新老路基之間的接觸位置是決定工程質量的重中之重。目前針對這一問題能夠采取的措施主要有以下三種:

(1)清表,即在擴建之前,將老路基的表層土挖除30 cm。

(2)填筑新路基之前在老路基上面挖臺階以增大新老路基之間的接觸,保證其具有更好的整體性。

(3)鋪設土工格柵,加強新老路基之間的連接,使其荷載分布更加均勻,提高路基的整體性。

2 高速公路改擴建技術在實際工程中的應用

2.1 工程概況

柳州(鹿寨)至南寧高速公路改擴建工程起訖樁號為K1220+675～K1469+300,全線改擴建里程為248.698 km,共設互通式立交15處,服務區6處、停車區3處、特大橋3座。初步設計批復概算為200.3億元,全線采用八車道高速公路標準改擴建。其中起點至靜蘭段40.144 km,設計速度為100 km/h,路基拓寬至41 m;靜蘭至終點段208.554 km,設計速度為120 km/h,兩側拼寬及新建路段路基寬度為42 m,單側分離加寬段新建路基寬度為20.75 m。新建橋涵設計汽車荷載采用公路-Ⅰ級,其他技術指標按《公路工程技術標準》(JTG B01-2003)執行。本文重點研究該項目中路基擴寬技術。

2.2 擴寬路基的壓實

2.2.1 路基壓實

路基壓實是保證路基正常工作的重要基礎,路塹、路堤以及基底都需要進行壓實,其主要目的是減小孔隙比,提高路基土體的密實度,增加粘聚力,減小路基的沉降。路基的壓實本質上是破壞土體原有結構,使土顆粒重新排列分布,達到一種更加密實的新的平衡狀態。此時土體強度得到了很大提高,也大大減小了路基服役期間的沉降量。

2.2.2 碾壓機具和方法

路基壓實采用的機械主要分為夯實型和振動型,其中夯實式的設備對路基進行壓實的效果最好。隨著壓實時間的增加,土體密度越高,一般通過機械對路基進行碾壓6次以內時,隨著碾壓次數的增大,土體密實度明顯增大;6～10次時,密實度增大速率明顯下降;超過10次后,隨著碾壓次數的增加,土體密實度基本不再增長。同時,還要注意壓實的限度,過度壓實可能會導致土體發生剪切破壞。

2.3 新老路基聯合工作狀態的數值模擬分析

本文通過ABAQUS有限元分析軟件建立數值模型,假設土體材料為各向同性、連續均勻的彈塑性介質,本構模型選取線彈性模型和摩爾-庫侖模型[6],使模型先在自重條件下實現地應力平衡,再對其施加與車輛荷載等效的均布靜載和振動荷載,監測路基的變形情況。數值模型如圖1所示。

圖1 擴建后的路基數值模型示意圖

對新老路基的豎向位移和水平位移進行監測,得到了沿路基表面方向和沿路基的豎向位移分布曲線,如圖2和圖3所示。

圖2 路基表面沉降變化曲線圖

如圖2所示,在施加車輛荷載后,由于新老路基的材料差異,其變形模量也存在較大差異。老路基的沉降值變化較小,變化范圍基本在0.25～0.60 cm浮動,但新路基部分沉降明顯,基本在0.80～1.20 cm,且新老路基接觸位置為沉降值變化的拐點,在新路基的路肩處沉降量略有減小。

分別監測了新老路基中心線位置不同深度處的沉降量,如圖3所示。

圖3 路基深度方向沉降變化曲線圖

如圖3所示,路基在不同深度的沉降曲線大致沿線性分布。其中,沉降量的最大值出現在路基表面位置,隨著深度變大,沉降值逐漸減小。在相同深度處,新路基的沉降值均大于老路基,但隨著深度不斷增加,二者的沉降差逐漸減小。同時,從二者曲線斜率也可以看出,新路基的沉降要比老路基明顯很多。

計算得到了沿路基表面方向和沿新路基邊坡高度的水平位移分布曲線,如圖4和圖5所示。

圖4 路基表面水平位移曲線圖

如圖4所示,沿路基表面的水平位移曲線大致呈“倒鉤”狀。在老路基部分,水平位移近似線性增加,在新老路基接觸位置達到水平位移最大值,約為0.38 cm,在新路基處水平位移開始減小,當到達新路基路肩位置,水平位移減小至0.1 cm。

圖5 新路基邊坡水平位移曲線圖

如圖5所示,監測了沿新路基邊坡不同高度處的水平位移量,水平位移沿新路基邊坡高度先增大后減小,且上下水平位移基本呈現對稱分布,當距離路面2.5 m位置時,水平位移達到最大值,約為0.4 cm。因此,在進行路基擴寬工程時,要特別注意邊坡坡腰處的加固,減小其水平變形。

3 結語

本文對目前高速公路改擴建工程可能遇到的問題以及已有的研究成果進行了總結,對路基沉降進行了研究,同時以柳州(鹿寨)至南寧高速公路改擴建工程為例,研究了高速公路新老路基連接處的處理技術,得到以下結論:

(1)高速公路改擴建工程中最可能遇到的問題主要是新老路基不均勻沉降。導致新老路基不均勻沉降的原因主要有三個,即新老路基之間的自身變形差異、新老路基的基礎固結程度差異以及新老路基之間的結合強度不足。

(2)處理新老路基接觸位置的措施主要有三種:清表;填筑新路基之前在老路基上面挖臺階以增大新老路基之間的接觸;鋪設土工格柵,加強新老路基之間的連接,提高路基的整體性。

(3)在施加車輛荷載后,老路基的沉降值變化較小,但新路基部分沉降明顯,且新老路基接觸位置為沉降值變化的拐點。路基在不同深度的沉降曲線大致沿線性分布,沉降量的最大值出現在路基表面位置,隨著深度變大,沉降值逐漸減小。在相同深度處,新路基的沉降值均大于老路基,但隨著深度不斷增加,二者的沉降差逐漸減小。

(4)沿路基表面的水平位移曲線大致呈“倒鉤”狀,在老路基部分,水平位移近似線性增加,在新老路基接觸位置達到水平位移最大值,在新路基處水平位移開始減小。水平位移沿新路基邊坡高度先增大后減小,且上下水平位移基本呈現對稱分布,在進行路基擴寬工程時,要特別注意邊坡坡腰處的加固。