周游

(湖南省高速公路集團(tuán)有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410026)

公路擴(kuò)建改造后，拓寬路堤的病害較多出現(xiàn)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(dǎo)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(chǎn)生裂縫，雨水浸入路面、路基，會(huì)導(dǎo)致一系列病害，使路面失去工作性能，新老路堤交界處產(chǎn)生滑移，嚴(yán)重時(shí)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(duì)實(shí)際工程中新老路基拼接的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，并對(duì)沉降差異進(jìn)行觀測(cè)。

1 工程概況

某二級(jí)公路改擴(kuò)建為雙向四車道一級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度80 km/h，路線長(zhǎng)度18.078 km。路基主要采取半幅加寬的方式，輔以兩側(cè)加寬。設(shè)計(jì)線形與老路基本一致，設(shè)計(jì)標(biāo)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(shè)計(jì)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(qū)等不良地質(zhì)病害，不良地質(zhì)主要是巖溶、構(gòu)造破碎帶、軟土路基、全風(fēng)化紅砂巖、花崗巖及其殘坡積層等。

2 老路基現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

2.1 老路面路基現(xiàn)狀

老路路面結(jié)構(gòu)層為原面層、水穩(wěn)層及大修面層，厚70～80 cm，均為水泥砼結(jié)構(gòu)；路面病害以路面結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)較密實(shí)，稍濕，未發(fā)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(xiàn)象；基底為可硬塑狀粉質(zhì)黏土或強(qiáng)風(fēng)化巖，基底巖土層滿足路基承載力要求。全線路堤較穩(wěn)定，少數(shù)挖方段出現(xiàn)坍塌、虧坡。

2.2 老路面路基病害評(píng)價(jià)

(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(qū)間的比例達(dá)70%，傳荷能力總體較差，板底脫空比例大于25%，板下基礎(chǔ)支撐均勻性差，不能利用。

(2) 強(qiáng)風(fēng)化紅砂巖和全風(fēng)化花崗巖填料路基段壓實(shí)度達(dá)不到規(guī)范要求，個(gè)別點(diǎn)為95%，其余均遠(yuǎn)低于規(guī)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(dá)26.8%，挖方路段含水量大于填方路段。個(gè)別路段路基土處于干燥和中濕狀態(tài)，絕大部分路段處于過濕狀態(tài)。

(4) 老路路基整體較穩(wěn)定，未發(fā)生軟化等現(xiàn)象，壓實(shí)度一般，可根據(jù)后期檢測(cè)情況對(duì)老路基進(jìn)行處治后加以利用。

(5) 公路老路基的承載能力在運(yùn)營(yíng)多年后衰減嚴(yán)重，表現(xiàn)為路基濕化嚴(yán)重、壓實(shí)度減小、回彈模量降低、路基路面病害較多。

(6) 隨著時(shí)間的推移，路基含水率由施工時(shí)的最佳含水率變?yōu)槠胶夂剩胶夂式咏盍系乃芟?。含水率升高?dǎo)致填料干密度減小，加上行車荷載作用，導(dǎo)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(yù)處理

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

(1) 清淤換填施工。采用挖掘機(jī)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(shí)加強(qiáng)路基兩側(cè)排水。采用推土機(jī)配合平地機(jī)攤鋪塊石并用碎石嵌縫，攤鋪完成后，先用壓路機(jī)靜壓1遍，然后振動(dòng)碾壓3遍，直到頂面穩(wěn)定、無(wú)下沉、無(wú)明顯輪跡，達(dá)到石塊緊密、平整、無(wú)彈簧的狀態(tài)(見圖1)。

圖1 清淤回填、填前壓實(shí)示意圖

(2) 水泥攪拌樁施工。對(duì)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(bǔ)強(qiáng)處理

為保證新老路基拼接質(zhì)量，每級(jí)老路基臺(tái)階平面范圍內(nèi)采用高速液壓強(qiáng)夯機(jī)進(jìn)行增強(qiáng)處理。

(1) 高速液壓夯實(shí)機(jī)補(bǔ)強(qiáng)原理。高速液壓夯實(shí)機(jī)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(duì)土體的作用為靜力與動(dòng)力的復(fù)合作用。通過反復(fù)擊壓，破壞路基土體的原有結(jié)構(gòu)，使土顆粒之間發(fā)生錯(cuò)動(dòng)、滑移，并趨于緊密。一方面提高路基的整體性，增強(qiáng)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(jié)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(jié)構(gòu)層產(chǎn)生的瞬時(shí)變形和形變積累，增強(qiáng)路面的使用性能，延長(zhǎng)路面使用壽命。

(2) 高速液壓強(qiáng)夯機(jī)補(bǔ)強(qiáng)試驗(yàn)。在臺(tái)階平面2 m路幅范圍內(nèi)布設(shè)2排呈梅花形的夯點(diǎn)，各夯點(diǎn)相切且夯點(diǎn)中心間距不大于1 m，夯錘落距0.8 m，并對(duì)夯坑補(bǔ)碎石進(jìn)行碾壓補(bǔ)強(qiáng)，確保滿足施工要求(見圖2)。對(duì)夯坑深度進(jìn)行測(cè)量，得到夯坑沉降量(見圖3)。從圖3來(lái)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(duì)老路基臺(tái)階進(jìn)行液壓夯實(shí)取得了良好效果。

圖2 高速液壓強(qiáng)夯機(jī)補(bǔ)強(qiáng)試驗(yàn)夯坑分布

圖3 高速液壓強(qiáng)夯機(jī)補(bǔ)強(qiáng)試驗(yàn)夯坑沉降量

為進(jìn)一步分析液壓夯實(shí)效果，選擇2列夯坑進(jìn)行壓實(shí)度測(cè)試，每列選擇3個(gè)測(cè)點(diǎn)，均位于老路基臺(tái)階面上。測(cè)試結(jié)果見表1，各夯點(diǎn)壓實(shí)度平均增加4%以上，增強(qiáng)效果顯著。

表1 液壓強(qiáng)夯前后壓實(shí)度對(duì)比 %

3.3 新老路基結(jié)合部土工格室加筋處理

3.3.1 土工格室鋪設(shè)方案

土工格室在荷載作用下的側(cè)向不變形性能對(duì)格室內(nèi)填料的橫向變形起約束作用，構(gòu)成具有強(qiáng)大側(cè)向限制和大剛度的結(jié)構(gòu)體，能有效增強(qiáng)新老路基結(jié)合部的承載能力，起到分散荷載作用，從而減小新老路基結(jié)合部不均勻沉降。根據(jù)相關(guān)研究成果，鋪設(shè)于路基中部的土工合成材料的效果不如鋪設(shè)于路基底與路床底的明顯，且隨著鋪設(shè)層數(shù)增加，加筋效果提高不很明顯。在試驗(yàn)段進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)加筋試驗(yàn)，研究土工格室的加筋作用。

試驗(yàn)段選取一段右幅路堤加寬側(cè)，長(zhǎng)100 m，填高為8.8 m。土工格室共鋪設(shè)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(tái)階上鋪設(shè)土工格室(見圖4)。

圖4 土工格室鋪設(shè)示意圖

3.3.2 應(yīng)變測(cè)試結(jié)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(nèi)布設(shè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)位移傳感器，3層土工格室共設(shè)置15個(gè)位移測(cè)點(diǎn)。離老路基最近的1#測(cè)點(diǎn)位于距離該層開挖臺(tái)階立面1.0 m處，1#～5#測(cè)點(diǎn)以間距2.0 m依次排列，最外側(cè)的5#測(cè)點(diǎn)距離該層開挖臺(tái)階立面9.0 m。使用JMDL柔性位移傳感器測(cè)量埋入路基內(nèi)部的土工格室應(yīng)變值，測(cè)試結(jié)果見圖5～7和表2。

圖5 D1層格室應(yīng)變

圖6 D2層格室應(yīng)變

圖7 D3層格室應(yīng)變

表2 各層格室應(yīng)變值

由圖5可知：隨著填土高度的增加，1#～5#測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值增大；D1層頂面填土高度達(dá)到7.6 m時(shí)，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值達(dá)到最高峰；由于其后5個(gè)月內(nèi)該段落暫停填土，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變逐漸減小至某一值。對(duì)比1#～5#測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值，1#測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值最小，5#測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值最大，即離老路基開挖臺(tái)階立面越遠(yuǎn)，格室的應(yīng)變值越大。

由圖6可知：隨著填土高度的增加，1#～5#測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值增大；D2層頂面填土高度達(dá)到3.8 m時(shí)，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值達(dá)到最高峰；由于其后5個(gè)月內(nèi)該段暫停填土，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變逐漸減小至某一值。對(duì)比1#～5#測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值，3#測(cè)點(diǎn)(位于新路基中部)的土工格室應(yīng)變值較大，兩側(cè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值較小。

由圖7可知：隨著填土高度的增加，1#～5#測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值增大；D3層頂面填土高度達(dá)到1.2 m時(shí)，各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變值達(dá)到最高峰；之后各測(cè)點(diǎn)應(yīng)變逐漸減小至某一值。對(duì)比1#～5#測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值，1#測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值最大，5#測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值最小，即離老路基開挖臺(tái)階立面越近，土工格室的應(yīng)變值越大。

綜上，隨著填土高度的增加，土工格室各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值增大，且增大速率與填土速率成正相關(guān)。填筑施工期間，土體沒有充分固結(jié)，加上格室受到土體傳遞來(lái)的碾壓力，格室應(yīng)變出現(xiàn)“富余”；填筑施工完畢，格室不再受振動(dòng)壓路機(jī)影響，恢復(fù)到正常變形狀態(tài)，故應(yīng)變值穩(wěn)步下降?？v向比較不同位置的格室應(yīng)變值，位于路堤底部的D1層格室的最大應(yīng)變、最小應(yīng)變、平均應(yīng)變?cè)?層格室中最大，與前人試驗(yàn)研究得出的一般鋪設(shè)在路基下方的格柵會(huì)承擔(dān)最大應(yīng)力，產(chǎn)生最大應(yīng)變的結(jié)論相同。對(duì)比3層格室最大應(yīng)變產(chǎn)生位置，上部D1層土工格室的最大應(yīng)變發(fā)生在5#測(cè)點(diǎn)處，中部D2層格室的最大應(yīng)變發(fā)生在中部3#測(cè)點(diǎn)處，底部D3層格室的最大應(yīng)變發(fā)生在1#測(cè)點(diǎn)處，這3點(diǎn)連線區(qū)域處于加寬路堤中剪切力受力最大的區(qū)域，連線右上側(cè)與左下側(cè)存在滑動(dòng)剪切趨勢(shì)，而土工格室的加筋作用有助于防止新老路基的剪切滑動(dòng)，減小新老路基的不均勻沉降。

4 新老路基變形觀測(cè)

對(duì)新老路堤路表進(jìn)行沉降觀測(cè)，分析新老路基的拼接效果，觀測(cè)結(jié)果見圖8。

圖8 路表沉降最大點(diǎn)沉降歷時(shí)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(wěn)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(tài)；施工完成后路表沉降速率<2 mm/月，路表沉降趨于穩(wěn)定，與新路基側(cè)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(jié)論

針對(duì)某公路改擴(kuò)建工程，對(duì)新老路基拼接中高速液壓夯實(shí)機(jī)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)及土工格室應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，通過沉降觀測(cè)分析拓寬路基后新老路基沉降差異，結(jié)論如下：

(1) 對(duì)老路基臺(tái)階按要求進(jìn)行高速液壓夯實(shí)后，效果較好，老路基臺(tái)階壓實(shí)度提高4%以上，建議對(duì)全線每個(gè)老路基臺(tái)階均進(jìn)行液壓夯實(shí)。

(2) 土工格室的加筋作用有助于防止新老路基的剪切滑動(dòng)，增強(qiáng)新老路基結(jié)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(kuò)建施工完成后，全線沉降速率都在規(guī)范要求范圍內(nèi)，擴(kuò)建公路新老路基拼接效果良好，將高速液壓夯實(shí)機(jī)補(bǔ)強(qiáng)技術(shù)及土工格室鋪設(shè)技術(shù)應(yīng)用于新老路基拼接可行。