高速公路拓宽拼接处差异沉降机理与控制综述

公路工程HighwayEngineering

Vol.32,No.5Oct.,2007

高速公路拓宽拼接处差异沉降机理与控制综述

崔颖超

南许昌　461000)

[摘　要]叶集至信阳高速公路位于黄淮冲击平原和大别山区,路基主要为高液限粘土、膨胀土,即沿线取土

1,2

(1.河南省叶集至信阳高速公路建设有限公司,河南信阳　4100;　2.河南禹州至登封高速公路有限公司,河

场填土CBR值不能满足筑路要求,通过对路基上路床石灰改良土施工工艺、不同龄期压实度检测和不同龄期击实试验,研究了路基填土掺灰改性后干密度值存在随龄期变化的现象。

[关键词]路基填土;改良土;干密度;压实度;击实试验;施工工艺[中图分类号]U416.1　　[文献标识码]A　　　　[文章编号]1002—1205(2007)05—0051—05

Stitchingthehighwaywideningdifferentialsettlementmechanism

andcontrolsummary

CUIYingchao

1,2

(1.YejitoXinyang,HenanProvinceSettoExpresswayConstructionLimited,Xinyang,Henan　4100,China;　2.Yuzhoutodengfeng,HenanProvinceSettoExpresswayConstructionLimited,Xuchang,Henan　461000,China)

　　[Abstract]YejitoXinyangExpresswayinHuanghuaifloodplainsandDabieMountainarea,theroadbedmainlyforthehighembankmentofClay,expansivesoils,alongtheYangtzeRiverinfillingCBRvaluecannotmeettheroad,throughthesubgradeontheroadbedlimemodifiedsoilconstructiontech2nology,Differentdegreesofcompactionandcompactionofthesameagetestonsubgradefillash2dopedmodifieddrydensityvaluesexistswiththeagechangephenomenon.

[Keywords]Subgradeembankment;Modifiedsoil;Drieddensity;Compactiondegree;Compac2tiontests;Constructiontechnology

　　在原高速公路的两侧进行拼接拓宽,在新拼接荷载的作用下,新老路基间将产生差异沉降,从而导致原路基路面拉应力的产生,该拉应力是产生纵向裂缝的根源所在。新老路基间差异沉降的大小与拉应力有着密切的联系,当新老路基间的差异沉降达到一定数值时,将使新老路基结合处或老路基内部的拉应力超过路基的抗拉强度,引起路面的开裂。由此可见,路面纵向裂缝的产生与路堤的拉应力和差异沉降之间存在应如何量化的问题,即如何控制差异沉降的问题。差异沉降的控制标准,是高速公路拼接工程的核心问题,没有差异沉降的控制标准,将使高速公路的拼接工程的设计处于一种盲目状态,要么保守,造成经济上的巨大浪费,要么冒

进,给工程的使用带来巨大的安全隐患。

1　拓宽拼接段沉降控制标准

沉降控制标准的制定应是个动态过程,其随原高速公路的稳定状况而变化。

一是原路的稳定状况较差,现阶段仍存在较大的沉降变形,在设计中不但应考虑原路自身的沉降变形,还应考虑新拼接荷载路段以边载形式对老路产生附加沉降量的叠加影响,控制原路拼接后桥头纵坡和横坡的变化,不能造成老路基之间形成反坡和对路面的排水造成危害。

二是原路的稳定状况较好,其固结沉降变形基本完成,新老路基间的差异沉降主要由新拼接路堤

[收稿日期]2007—08—08

[基金项目]国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2006AA12Z156);河南省交通厅科技项目(2003P108)[作者简介]崔颖超(19—),男,河南洛河人,工程师,从事高速公路建设与管理。

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自重引起。

三是原路地基处理方法为排水固结法,后拼接路基由于施工引起对原路基的扰动,在拼接过程中,老路基又发生扰动再固结,故应考虑老路基在原压荷载作用下的再固结和再沉降,与新拼接路基以边载形式对老路基产生的附加沉降增量进行叠加。

四是在拼接拓宽过程中,常遇到河塘已邻近堤脚的情况,为满足分层填筑时能确保形成干地施工的条件,施工时常需要抽水清淤,若原地基是塑料排水板处理或地基透水性能较好时,将会造成老路基内地下水位和两侧抽水后的基坑底形成水位差,迫使老路基下的地下水向路堤外侧形成渗流,引起了一定范围内地下水位的降低(如图1),使原来处于地下水位以下的地基土变成了水上部分,它的容重则由浮容重变成湿容重,对路基额外增加了由于地下水位的降低而形成的呈三角形或梯形分布作用于地基的垂直向偏心荷载,在偏心荷载的作用下,对原路中心而言,将引发反盆形沉降增量,从而引起原路基、路面拉应力的产生,当拉应力超过路堤的抗拉强度时,将导致路面开裂。

结构中产生一定的工程问题,如导致路面纵向开裂等,是我国目前尚未解决的工程技术难题之一。公路路基在横向上的差异并不仅发生在老路路基利用段,对于山区公路等,当路基下卧丘陵地区的公路(包括高速公路)因路基在横向上的差异产生路面结构所不能承受的变形或位移,导致路面结构产生开裂、局部沉陷等损坏。山西省太旧高速公路在竣工后不到2a,在高填方路段因边坡和支挡结构位移产生纵向开裂和路面沉陷。我国对路基路面的设计基本上是截然分开的,即使对于软土地基路段,设计也很难考虑路基沉降量、位移及其变形累积对路面结构的影响,缺少路基路面综合设计的理论和方法。而路基路面综合设计对于存在路基横向工程差异的公路则更为重要。我国路基设计技术规范允许软土地基路段的工后沉降量为30cm,沙庆林院士对此进行了分析论证,认为路面结构不可能承受如此大的位移量。

2　国内路基路面拓宽常见的施工技术

国内工程通常采用复合地基加固、竖向砂井和塑料插板排水、基底清淤换填、旧路路堤台阶开挖、土工合成材料加筋垫层和加筋土路堤、上工织物防渗和排水、改良土高强和轻质路堤、铺设上工合成材料防裂层或增大加铺层厚度(针对路面)等措施。广佛高速公路拓宽时,其中约6.86km按8车道扩建,路基宽度约41m,另外约7km按6车道扩建,路基宽度33.5m。软土厚度约为10～20m,老路基采用排水固结法进行处理,以解决新老路基拓宽过程中的沉降及稳定问题。

杭甬高速公路、广佛高速公路、海南环岛高速公路均处在软土地基上,以上3条高速公路均成功地实现了拓宽,运营后道路使用质量良好。3条高速公路设计时均意识到差异沉降的影响。杭甬高速公路的在拓宽过程中,首次将路堤桩用于高速公路的地基处理中,达到了控制差异沉降的目的。

海南环岛高速公路是同江—三亚国道主干线最南段的一部分,受投资的,采取分两次半幅修建的方式进行。为减少扩建工程对老路的影响,将原设计的塑料排水板地基全部改为粉喷桩加固处理,如存在稳定问题的则采用反压护道的方式处理。

锡澄高速公路与沪宁高速公路的连接,采用分离式拼接,通过在新老路基之间打设分隔墙(地下连续墙)的处理方法,并提出沉降计算方法及差异沉降的控制标准,成功地实现了拓宽,丰富了拓宽技

图1　抽水清淤附加荷载影响

Figure1　additionalloadinfluencediagrammaticsketch

ofpumpremovalsmud

同时地下水位的降低,又会引起堤脚处地基土壤渗透变形的发生,对原路造成极大的危害,因此除路堤荷载外,必须重视施工过程中地下水位降低所引起的差异沉降。

由于受到老路建设时的社会经济水平、技术水平和建设思想的制约,或者老路接近使用年限,抑或老路本身的等级比较低等原因,有相当一部分不能满足高速公路的要求,有的已经出现了比较严重的路基、路面病害,甚至路基本身并不稳定。

新路基紧贴着病害路基,对路基的整体稳定有很大的影响。此时,旧路加宽综合处治技术属于路基横向不均匀变形、沉降和强度不均匀对路面结构的影响范畴。当新建公路路基宽于老路路基时,由于新老路基在沉降、永久变形累积、稳定性和路基承载力等方面的差异,在新老路基路面衔接处产生不均匀沉降,变形及结构强度差异等,从而在路基路面

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术,其经验可作为后续工程的设计和施工提供经验。但其需要较长的预压时间,在工期紧的情况下难以满足要求,且在预压时存在老路路面的排水问题,必须严格的控制新拓宽路基的工后沉降量,否则会引起新老路基较大的差异沉降,从而导致路面的拉裂。

因此,旧路路基的加宽处理必须综合考虑加宽路基的稳定性和新旧路基间的整体性、路基沉降和路堤自身的压缩变形、路基土的塑性累积变形等造成的不均匀沉降,以及新旧路基间的刚度差异等对路面结构的影响。土工合成材料由于其具有特殊的物理力学特性而在旧路加宽综合工程中发挥着极其重要的作用。

构响应的影响;新旧路基间的刚度差异对路面结构响应的影响;面层反射裂缝的防治等。为此,在旧路加宽改造工程的实施之前必须进行先期的方案试验研究。通常可采用软弱地基处理、基底清淤换填、旧路路堤台阶开挖、土工合成材料加筋垫层和加筋土路堤、土工织物防渗和排水、改良土高强路堤和轻质路堤、铺设土工合成材料防裂层或增大加铺层厚度等工程技术措施,常见工程技术措施如下:

①新建路基原地面的处理,新建路基沉降量中原地面的沉降占的比重较大,特别是高速公路通过软土地基路段的沉降问题更加突出。现有的处理方法一般有3种:塑料排水板法,其原理是通过排水板将地下水引出,使土体固结加速地基的沉降;以粉喷桩为代表的复合式地基的处理方法,其原理是通过复合式地基增加地基承载力防止地基的沉降;抛石填筑,对于软土层较薄的路段常采用这种简便易行的施工方法。

②新建路基本身沉降的处理可采取以下措施:通过大吨位振动压路机、冲击式压路机来碾压土体以及增加碾压遍数来减少土体本身孔隙率,增加路基压实度,减小路基本身沉降;填筑CBR值较好的土体材料如碎石土、砂砾等。

③新旧路基的土体衔接采用台阶式碾压方式,并铺土工格栅、加锚杆等措施使新旧路基有效地形成整体。

④对新修路基采用超载预压3～6个月时间加速新修路基的工前沉降。

3　加宽路基稳定性

路基稳定性分析计算的目的是进行一种强度检验,即看地基与路堤是否发生由于抗剪强度不足造成的浅层、深层滑动破坏,进而提出稳定处治措施的设计方案。路基的稳定性涉及到岩土性质与结构、边坡高度与坡度、工程质量与经济效益等因素。

路基稳定性验算时,按路堤施工期及公路营运期的荷载分别计算稳定安全系数。路堤施工期荷载只考虑路堤自重,并应考虑路堤在施工期及预压期由于地基沉降而多填筑的填料增重的影响;营运期荷载应包括路堤自重、路面增重及行车荷载,行车荷载的影响应按静止的土柱作用考虑。地震力的计算只考虑水平向地震力而不考虑竖向地震力。

4　地基沉降计算与处理

a.沉降计算。

5　路堤自身压缩变形分析

填方路基施工完成后,随着时间的延长与汽车

重复荷载的作用,常出现路基的整体下沉与局部下沉。特别是在填挖方接头处,路基下沉尤为突出。因此,填方路基的稳定不仅与边坡高度有关,也与路基填料、性质、边坡坡度、地基性质、水文状况、路基压实机具、施工方法等有关。填方路基的施工,虽然施工队伍素质较好、设备齐全、施工管理和技术管理严密、质量管理体系健全,并能按照《公路路基施工技术规范》要求进行施工,然而,由于填方路基是放在半无限体上的线性工程,所处的环境千变万化,所处地段的水文地质情况错综复杂,又暴露在野外环境中,路堤土的密实与自身固结都需要时间,且常年受重复荷载的作用。因此,在工程施工过程中和工程完工后的车辆营运阶段,发生的病害较多,而且较难处治。填方路基常见的病害有:①路基整体下

沉降计算可以预计地基的竖向变形,并为控制这种变形提供依据。目前土力学所介绍的地基沉降计算方法可分为两大类:第1类是经验系数校正法,采用这种方法是出于对地基土的复杂性以及理论分析结果不可能有很高精度的认识。这种方法用地基的固结沉降乘以沉降系数来计算地基的总沉降,而固结沉降可用e曲线或压缩模量Es计算。第2类方法既看到了土的复杂性,同时也考虑到了现代工程对设计质量要求的提高,在计算模式及计算手段上不断改进,但并非完全摆脱了第一类方法;人们是从不同的角度来研究沉降的,所以有的成果仅是沉降计算的一个侧面。

b.软土地基的处理。

对高速公路改扩建时要特别注意:新旧路基间的不均匀沉降以及新路基的塑性累积变形对路面结

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沉或局部沉降;②路基纵横向开裂;③路基滑动或者边坡滑坍。

引起填方路基下沉的原因有以下几个方面:a.设计方面。

因条件公路路线必须通过复杂山区时,设计上应认真地对高填方路基作特殊设计。对未进行高路堤的稳定性验算,而按一般路基进行设计,且施工工艺、填料等未作特殊要求说明的路段,在工程施工过程中或工程完工后,高填方路基将会有较大整体下沉或局部沉陷,以致影响公路的正常使用。

b.施工方面。

①路基填筑工艺方面的原因。高填方路基的填料在分层填筑时,应按照《施工规范》要求的厚度进行铺筑。随意将铺筑厚度加厚,压实机具按规定的碾压遍数压实时,压实度达不到规范规定的要求,当填筑到路基设计标高时,必然产生累计的沉降变形,在重复荷载与填料自重作用下产生下沉。②工程机械与碾压工艺方面的原因。高填方路基施工中,应按要求配备相应的整平碾压机具,并按规范进行操作。未按要求的压实工艺进行碾压,路基的压实强度不均匀,压实度达不到规定要求,将会导致高填方段路基产生较大的沉降变形。

③工程施工过程中质量管理与技术管理方面的原因。工程施工中,工地现场人员的责任心不强、技术管理力度不够、施工现场混乱,使工程质量降低,造成施工过程中的隐患,甚至造成大的质量事故,危及路基的稳定性。

c.工程地质方面。在工程地质不良、泥沼软基丰富的地段填筑路堤,由于地表土壤密度小、压缩变形大、承载能力低,当路堤填料不断增加时,原地面土壤容易发生压缩沉降和挤压移位,地基的压缩变形致使路堤随之沉降或开裂。

d.路基填料方面的原因。

会引起土质松软、强度降低、边坡坍塌、堤身沉陷或滑动以及产生冻害等。

土基是路面结构的最下层,承受着由面层传下来的车辆荷载和上部结构的自重、实践证明,没有一个坚实、均匀、稳定的土基,即使采用很坚固的面层,路面结构在车辆荷载作用下,也会很快发生破坏。

实际工程中,无论是水泥混凝土路面还是沥青路面出现的损坏现象,大部分都是由于土基强度不足,稳定性变差,在外荷载作用下产生的过量变形所致。因此,设计和构筑一个坚实、均匀、稳定的土基,提高土基的抗变形能力,是保证公路路面结构具有良好使用品质的根本措施。

改进的分层总和法采用逐级加载的方法计算路堤填土自身压缩变形量,计算方法简捷,参数较易取得,计算所得路堤自身压缩变形曲线与实测资料较一致。

新建路基本身沉降的处理可以从以下几个方面加以控制:

①通过大吨位振动压路机、冲击式压路机来碾压土体以及增加碾压遍数来减少土体本身孔隙率,增加路基压实度,减小路基本身沉降。

②填筑CBR值较好的土体材料,如碎石土、砂砾等。

③使用改良土、高强路堤或轻质材料路堤。④对新修路基采用超载预压3～6个月时间加速新修路基的工前沉降。

6　行车荷载作用下路基塑性累积变形分析

处理

　　a.塑性累积变形分析。

路基土在其自重和路面结构等静荷载作用下的变形主要表现为土体的压缩变形,可通过室内试验测定土的相应变形指标,选取适宜的力学模型计算路基土的应力状态,从而得到路基的总沉降量、不均匀沉降量、不均匀沉降范围以及沉降与时间的关系等控制指标。

路基土作为一种非线性弹塑性变形体,在行车荷载作用下除产生弹性变形外,还会产生部分不可恢复的塑性变形。塑性变形会随着行车荷载作用而逐渐累积,在行车道轮迹带范围内的路基土所承受的荷载较大,荷载作用次数也较多,因此产生的塑性累积变形也较其它位置要大,从而导致路基土的不均匀变形。

b.土工合成材料在旧路改造中的应用。

如果路堤填料土质差,填料中混进了耕植土、腐

殖土或泥沼土等劣质土,由于这类土壤中有机物含量多、抗水性差、强度低等特性,路堤将出现塑性变形或沉陷破坏。尤其是膨胀土,遇水膨胀软化,风干收缩开裂,固体稳定性差,用作填料时随着土壤中水分的挥发,收缩开裂尤为严重,对路堤的整体结构危害极大。

e.路基排水方面。

路基排水的任务是把路基工作区的土基含水量降低到一定的范围内。土基含水量过大、排水不良

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在处理路基不均匀变形和沉降方面,除对路基断面形式进行一定的优化外,土工合成材料和轻质填料得到了大量的应用。作为新型建筑材料的土工合成材料,由于其优良的工程性质、工业化生产的质量稳定性和便于施工等优点,在路基路面工程中得到了一定范围的应用。通过精心施工,选择轻质路基填料(如轻质粉煤灰或EPS)等措施,确保新建路基工程的工程性质,如工后沉降量小、较高的刚度和稳定性等,使新建路基与老路基的差异尽可能缩小。在此基础上,采取土工合成材料加筋加强技术进一步缩小新建路基与老路基在强度、刚度及稳定性等方面的差异,并提高路面结构对差异沉降的适应性。这一技术在国内外都得到了较为广泛的研究和应用,特别是处理路基不均匀沉降方面将可得到越来越广泛的应用。旧路改建又为土工合成材料的应用提供了广阔的市场。土工合成材料加筋土可以用来增加路基的整体稳定性,在旧路加宽改造工程中发挥的作用尤其显著。土工合成材料加筋垫层可提高软土路基的地基承载力,减小路基的不均匀沉降,且具有施工简便、快捷和投资少等特点。

c.土工格栅在公路路基应用中的作用机理。表现在以下方面:①土工格栅有较大的刚度,可使作用在其上的荷载得以扩散,从而提高路基的承载能力,使路基变形均匀,减小不均匀沉降;②土工格栅的抗拉强度较大,加强了土基的纵横向连接,减少了土基的纵横向开裂,增强了路基的稳定性;③由于土工格栅网眼的存在,制约了路基中颗粒材料的横向移动,形成良好的嵌锁作用,使土体具有较好的整体抗剪能力。

姬同庚、赵峰等采用土工网垫包裹50cm后碎石垫层进行软基处理,现场实测结果表明,在吹填粉细砂软基上,原地基承载力小于60kPa,水平铺设2层土工网垫,垂直间距20cm,层间回填碎石土,振动碾压后承载力达250kPa以上,是单纯铺设一层土工网垫的2倍,是铺设土工网垫,仅进行强夯加碾压的1.47倍。

江苏省高速公路建设指挥部、江苏省交通科学研究院介绍了土工格栅用于软基低路堤地段,铺设于二灰碎石基层和底基层之间,减少不均匀沉降造成的基层开裂和底基层局部强度较低造成基层或路面坑槽破坏的情况。

重庆公路科学研究所采用弹塑性动力有限元方法,对车辆反复荷载引起的路基塑性变形以及将土

工格栅铺设于不同位置的作用进行了分析。得出在路面底部加筋可有效地控制沉降,土工格栅加筋后可减少约50%的塑性沉降变形量,并可较大地改善路面的受力状态。

王维佳等进行了4种厚度(0.10mm,0.17mm,0.40mm,0.47mm)的玻璃纤维网和一种土工织物(TRWR)加筋的沥青混凝土的室内劈裂试验、小梁

弯曲试验、低温收缩试验,得到的试验结果表明:采用玻璃纤维网和土工织物加筋后,沥青混合料性能均好于不加筋情况。d.新旧路基结合部处理。

新旧路基衔接处对老路堤开挖台阶,并铺设土工格栅、或者采用加锚杆等措施使新旧路基有效地形成整体。

e.路面反射裂缝的处理。

铺设土工合成材料防裂层或增大加铺层厚度。目前国内外的文献资料分别针对与旧路加宽综合处治技术相关的各方面内容进行了不同程度的阐述,但直接用来介绍旧路加宽综合处治技术的资料相对较少。为此,本论文选取了一些较有代表性的旧路加宽综合改造工程进行调研工作。调研主要搜集分析有关加宽路基稳定性、地基沉降等与旧路加宽综合处治紧密相关的资料,为确定大齐路旧路加宽处治方案提供参考。

7　小结

从目前国内外有关的研究成果来看,国内的高速公路拓宽技术已经取得一定成果,但是由于高速公路拓宽技术起步较晚,目前控制新旧路基间的不均匀沉降和处治新老路基结合部仍缺乏配套成熟完善的设计方法,已完工的一些拓宽工程逐渐暴露出一些问题,其处治形式需要进一步改进。其次,现有高速公路的拓宽主要集中于稳定路基的拓宽技术上,对于非稳定路基的高速公路,或者是非高速公路拓宽却没有系统的研究。

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