高速公路改擴建路基拼接技術及應用研究

摘要 為了保證高速公路改擴建項目設計水平，分析了路基拼寬后的常見問題，從新老路基結合面處治、新路基填料和壓實度控制、拼寬地基處治等方面探討了改擴建路基拼接技術。同時，以某高速公路項目為研究對象，利用有限元軟件Midas/GTS建立計算模型，分析了降雨歷時、填土高度等對拼寬路基穩定性和最大不均勻沉降的影響規律。

關鍵詞 高速公路；改擴建；拼接處理；路基穩定性；不均勻沉降

中圖分類號 U418.8 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2023）06-0120-03

0 引言

隨著經濟的快速發展和城市化的不斷推進，交通量呈爆發式增加，且重載和超載車輛的占比越來越高，給高速公路的通行能力和服務水平帶來很大壓力。原有高速公路因為設計理念落后、建設標準低等，已難以滿足當前的交通需求，需對其進行改擴建處理。擴建公路中的新舊路基必然存在不均勻沉降。如何以經濟、合理的措施控制改擴建高速公路的路基穩定性和差異沉降，已成為設計單位需要解決的重要問題。但是，我國高速公路改擴建建設起步較晚，設計理論不完善，設計期間可參考的落地項目也不多[1]，因此，進一步研究高速公路改擴建路基拼寬技術具有十分重要的工程價值。

1 高速公路改擴建路基拼接問題

新舊路基拼接后經常會出現新路基失穩或不均勻沉降。在進行高速公路改擴建工程設計時，需從這兩方面開展研究[2]。

1.1 新路基失穩

新路基失穩是指加寬后的新路基沿新舊路基拼接位置滑移，這種病害通常出現在山區陡坡路段、軟土地基路段、高填方路段等。當滑移量較小時，新舊路基拼接處的路面容易開裂，且拼接位置強度經干濕或凍融循環后不斷降低。當產生較大滑移量時，路基會整體坍塌，造成拼寬路面整體破壞。新路基失穩的主要原因有三個方面。①地基坡面過陡。加寬路基處于坡度較大的路段，填土在自身重力作用下會沿著坡面向下滑動。②地基存在軟土層。軟土強度低、含水量高、流變性明顯，容易被路基沿外側方向擠出，坡腳出現起拱（塑性區域），進而導致邊坡失穩。③強度不足。拼接位置壓實度不夠、臺階開挖不合理、未采用土工格柵加筋、排水設計不完善等原因引起新舊路基拼接處強度不足，且其強度越低，新路基失穩可能性越大。

1.2 不均勻沉降

高速公路的老路基經過長期運營，已基本完全固結，土體內應力也處于平衡狀態。拼接新的路基后，填土自重應力會在地基中產生新的附加應力，并改變老路基的應力狀態。因此，新舊路基不均勻沉降由兩部分組成：①新舊路基自身壓縮變形差異。新老路基施工時的壓實度都是按照《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）和設計文件控制，但老路基填土在反復行車荷載作用下會繼續壓縮，壓實度也不斷增加。一般情況下，路基壓實度越大，路基壓縮模量越大，抗變形能力越強。因此，新舊路基自身壓縮變形差異主要是因為壓實度不同引起的。②地基沉降差。對于土質較差的地基層，新地基孔隙比和壓縮性會明顯大于老地基，導致其在填土附加應力作用下的工后沉降會大于老地基。

2 高速公路改擴建路基拼寬方案及處理措施

2.1 路基拼寬方案

高速公路路基拼寬一般有單側拼寬和雙側拼寬兩種方案，需根據地形條件、拆遷規模、工程造價、施工技術等因素選擇。其中單側路基拼寬就是只在路基一側加寬，另一側路基保持不變。單側拼寬只需要小幅調整老路的平面、縱斷面線形指標，加寬側容易實現。但是舊路加寬施工時只能在一側進行，施工作業區間大施工所需工期較長。雙側加寬是在保持老路中心線不變的條件下，兩側路基同時加寬。雙側拼寬方案下新舊路基均勻沉降容易控制，施工速度快，施工技術比較成熟，是目前國內高速公路改擴建最常用的加寬方式[3]。

2.2 新老路基結合面處治

2.2.1 老路基邊坡處理

老路基邊坡在施工時壓路機難以壓實，且坡面長期暴露在外界環境中，受到降雨沖刷、干濕循環、凍融循環等作用，導致其壓實度低于其他位置。在拼接前，需挖出老路基邊坡坡面至少30 cm。

2.2.2 新老路基結合處臺階開挖

為了加強新老路基的銜接和整體穩定性，需在新老路基結合處開挖臺階，臺階寬度≥1 m，臺階高度在0.6～

1 m，并設置2%～4%向內傾斜的坡度。為了減少土石方開挖量，控制工程造價，臺階具體寬高比需結合老路基邊坡坡率確定，如表1所示[4]。

2.3 新路基填料和壓實度控制

在條件允許時，新路基填料宜盡量選擇與老路基物理力學參數相同或相近的填料。否則，新路基應使用透水性較好、不易風化的砂礫、碎石等材料，且填料強度CBR要滿足設計要求。

高速公路改擴建項目中的新路基壓實度可參考《公路路基設計規范》（JTG D30—2015），見表2。

2.4 拼寬地基處治措施

為了控制高速公路新舊路基間的不均勻沉降，通常要對新路基下的軟弱土層進行處理。在選擇加固方案時，應遵循“就地取材”的原則，綜合考慮軟弱土層、容許工后沉降、施工工期等因素。對于地基土性質差和工期緊的路段，可多種加固方案配合使用，以加快軟弱土層排水固結[5]。

2.4.1 水泥攪拌樁

水泥攪拌樁是把水泥材料、外摻劑等以粉噴或漿噴的方式加入周圍地基土，形成樁-土復合地基共同承擔外荷載。加固土樁具有施工速度快、工期短和價格便宜等優勢，但受施工技術限制，粉噴樁有效處理深度≤12 m，漿噴樁有效處理深度≤20 m，否則加固土樁在地基中容易形成“懸浮樁”，處理效果差。

水泥土攪拌樁中的水泥材料、外摻劑等摻量前應根據擬處理的最軟弱土層確定。同時，對于豎向承載的樁體，其樁長宜穿透軟土層，將樁端伸入于承載力相對較高的持力層至少50 cm；對于提高路基抗滑穩定性的樁體，其樁長應超過潛在滑動面滑弧以下2 m。

2.4.2 CFG樁

CFG樁由碎石、粉煤灰、水泥等材料按一定的比例混合而成，又稱水泥粉煤灰碎石樁。CFG樁的承載能力大，可用于處理深厚軟土地基。同時，為了提升CFG樁處治效果，樁頂應鋪一層厚度30～50 cm的褥墊層（碎石、砂礫等材料）。綜上，CFG樁加固拼寬地基的機理主要體現在樁體承載及擠密作用、褥墊層應力擴散作用、樁體排水作用等方面。

2.4.3 預制管樁

預制管樁按混凝土等級和壁厚可分為PC、PHC和PTC。預制管樁是一種新型的拼寬地基處治措施，具有單樁承載力高、加固深度深、施工效率高、施工質量容易控制、施工現場無污染等優勢，但其造價偏高。

3 高速公路改擴建路基拼寬案例分析

該文以某高速公路為研究對象，利用有限元軟件Midas/GTS建立有限元模型，從路基穩定性和不均勻沉降兩方面探討了路基拼寬方案的可行性。

3.1 工程概況

高速公路全長97.696 km，設計速度為80 km/h，設計荷載為公路-I級，主線為雙向4車道，路基寬度24.5 m，土路基橫坡4%。由于交通量快速增長，該高速公路通行能力已無法適應現有交通需求，需進行改擴建（總體采用兩側拼寬方案，左右側分別加寬兩個車道）。此外，項目處于區域年降雨量大，多年平均降雨量約1 247.2 mm，在路基拼寬設計時需考慮降雨對拼寬路基邊坡穩定性的影響；地震烈度是Ⅵ度，峰值加速度取0.05 g，不考慮地震對拼寬路基邊坡穩定性的影響。

3.2 模型建立

建立路基幾何模型時將路基簡化為二維平面模型，屈服準則采用摩爾－庫倫理論，路基填土及地基土用實體單元模擬，網格劃分用正四面體，共劃分出3 658個單元，4 622個節點。同時，將路基模型的左、右兩側邊界設置為不排水邊界，對其進行水平約束；下邊界設置為不排水邊界，對其X、Y、Z三個方向完全約束；路基頂面和邊坡坡面設置為排水邊界，均可自由變形[6]。建立好模型后，根據地質勘察資料分別輸入新路基填料、老路基填料、新地基和老地基的物理力學參數。

3.3 路基拼寬后邊坡穩定性計算結果

路基穩定性計算考慮了兩種工況，其中工況Ⅰ未考慮降雨，工況Ⅱ考慮邊坡處于連續降雨環境中，降雨強度取28 mm/d，降雨歷時取1 h、2 h、3 h、4 h、5 h、6 h。不同工況下的邊坡安全系數計算結果見圖1。

由圖1可知：未降雨時，拼寬路基邊坡的安全系數為1.69。降雨歷時為1 h、2 h、3 h、4 h、5 h、6 h，對應的拼寬路基安全系數分別為1.64、1.55、1.33、1.09、0.86、0.83。相對于未降雨工況，安全分別降低了2.96%、8.28%、21.3%、35.5%、49.1%、50.9%。這表明在降雨強度相等的條件下，拼寬路基邊坡的安全系數隨降雨歷時的增加而降低，且降低速率不均勻。當降雨歷時小于1 h，路基邊坡安全系數減小不明顯；當降雨歷時大于2 h，路基邊坡安全系數迅速降低，且降雨歷時和安全系數之間基本呈線性正相關。

3.4 路基拼寬后不均勻沉降計算結果

3.4.1 填高對路基不均勻沉降的影響

路基填高不同，在地基土中產生的附加應力不同，從而導致拼寬路基頂部不均勻沉降有差異。該文結合項目實際情況，利用Midas/GTS軟件計算了路基填高為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m時，拼寬路基的最大不均勻沉降，計算結果見圖2。

由圖2可知：當路基填高從1 m增加至8 m，拼寬路基頂部最大不均勻沉降也不斷增加，即填土越高，其在地基中產生的附加應力越大，在新老路基間引起沉降越大。當路基填方高度為1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、8 m時，新舊路基最大差異沉降分別為5.2 cm、5.6 cm、6.3 cm、7.9 cm、9.5 cm、11.6 cm、13.8 cm、15.9 cm。當路基填高≤3 m，拼寬路基不均勻沉降增加緩慢；當路基填高≥4 m，拼寬路基不均勻沉降快速增加。因此，建議該項目填土高度大于4 m的路段的地基進行加固處理。

3.4.2 基底處理后路基不均勻沉降

以填高8 m的拼寬路基為例，分別計算了水泥攪拌樁、CFG樁、預制管樁加固地基后的不均勻沉降，計算結果見表3。

由表3可知：水泥攪拌樁、CFG樁、預制管樁處理地基后，拼寬路基的最大不均勻沉降均小于10 cm，其減小幅度分別為38.4%、54.7%、57.2%。雖然預制管樁對拼寬路基不均勻沉降的改善效果最好，但是其造價偏高，建議使用CFG樁。

4 結論

該文主要研究了高速公路路基拼寬方案、新舊結合處和拼寬地基的處理方法，并依托某高速公路項目，計算了其拼寬后的路基穩定性和不均勻沉降變化規律，得出以下幾個方面的結論：

（1）高速公路的路基拼寬方案主要有單側拼寬和雙側拼寬兩種，拼寬后容易產生新路基失穩和不均勻沉降問題。

（2）新老路基拼接前要挖出老路基邊坡坡面至少30 cm，并根據老路基坡率開挖臺階。

（3）可采用水泥攪拌樁、CFG樁、預制管樁等措施來控制新舊路基間的不均勻沉降。

（4）拼寬路基的安全系數隨著降雨歷時的增加而降低，不均勻沉降隨填土高度的增加而增加。

參考文獻

[1]趙巖. 高速公路改擴建中路基加寬段差異沉降控制技術的應用[J]. 運輸經理世界， 2022（34）： 41-43.

[2]劉國祥. 高速公路改擴建中新舊路基拼接施工技術探析[J]. 交通世界， 2022（23）： 66-68+71.

[3]樊家志， 匡志光. 高速公路改擴建工程新舊路基銜接技術[J]. 工程建設與設計， 2021（23）： 109-111+139.

[4]方元偉. 濱萊高速公路改擴建工程路基穩定性及控制技術研究[D]. 西安：長安大學， 2019.

[5]王珂. 高速公路改擴建工程新舊路基差異沉降發生模式與控制標準研究[D]. 濟南：山東大學， 2018.

[6]曾楊. 唐津高速公路改擴建工程路基拼接及應用技術研究[D]. 重慶：重慶交通大學， 2016.