王 瑜

（廣西南寧市江南區(qū)公路水路建設(shè)養(yǎng)護(hù)中心，廣西 南寧 530031）

0 引言

盡管高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目已經(jīng)開展了很多年，但是在凍土地區(qū)，改造和改建嚴(yán)重凍土區(qū)的技術(shù)還不夠成熟，還在摸索中。例如一些項(xiàng)目建成通車后，路面在拓寬后會(huì)產(chǎn)生縱裂，這不但要花費(fèi)大量的資金解決這個(gè)問題，還會(huì)給承建的公司帶來不利的影響。為此，對(duì)于公路改擴(kuò)建中的新舊路基銜接問題，應(yīng)注重路基拓寬質(zhì)量，盡量保證銜接位置不會(huì)出現(xiàn)裂縫。文獻(xiàn)[1]提出了改擴(kuò)建新舊路基拼寬差異性沉降控制技術(shù)，通過分析不良地質(zhì)段極易產(chǎn)生差異性沉降的位置，處理路基。采取沉降觀測(cè)方法、采集和整理相關(guān)數(shù)據(jù)，完成新舊路基銜接施工；文獻(xiàn)[2]研究非均勻沉降對(duì)道路結(jié)構(gòu)機(jī)械性能的影響與控制方法，使用數(shù)值模擬方法對(duì)不均勻沉降位置分析，并對(duì)新舊路基銜接處進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)控制。然而，上述兩種方法針對(duì)的是路面不均勻沉降方面的研究，缺少道路內(nèi)部產(chǎn)生額外附加應(yīng)力影響分析，導(dǎo)致施工質(zhì)量控制效果不佳。為此，本文提出了公路改擴(kuò)建工程新舊路基銜接處施工質(zhì)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(zhèn)，總長(zhǎng)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(shí)，新舊路基的固結(jié)度差異會(huì)引起路基的側(cè)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(huì)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(huì)產(chǎn)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(duì)地基的沉陷及路基的穩(wěn)定性進(jìn)行分析是十分必要的。沉降法是指在基坑開挖時(shí)，使新基坑的沉降速度加快，或采用相應(yīng)的措施控制基坑的側(cè)向位移，以減小基坑的工后沉降。在穩(wěn)定性方面，為了改善路基的抗剪承載力，需要對(duì)新建路基進(jìn)行加固處理。

2 道路內(nèi)部產(chǎn)生額外附加應(yīng)力對(duì)不均勻沉降影響分析

公路改擴(kuò)建工程新舊路基受到額外作用力影響，會(huì)出現(xiàn)不均勻沉降問題，其中額外作用力是橫向附加應(yīng)力。應(yīng)用Flac3d有限差分軟件模擬公路改擴(kuò)建工程新舊路基沉降對(duì)路面結(jié)構(gòu)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(duì)新鋪設(shè)的路面進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在不同的沉降條件下，新鋪設(shè)的路面會(huì)出現(xiàn)水平應(yīng)力，而在不同的荷載作用下，瀝青路面的表層會(huì)受拉應(yīng)力，而水平應(yīng)力也會(huì)隨之增加[3]。在路面底層的附加張應(yīng)力比其極限拉伸強(qiáng)度大的情況下，會(huì)產(chǎn)生裂紋，并繼續(xù)向上延伸，直到完全開裂，從而造成路面損壞。因此，必須對(duì)道路內(nèi)部產(chǎn)生額外附加應(yīng)力對(duì)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(yīng)力數(shù)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

表1 不均勻沉降下的水平拉應(yīng)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(yīng)力會(huì)沿著公路橫向而逐漸增大，直到達(dá)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(yīng)力也會(huì)增大。在道路上，最大橫向附加應(yīng)力與最大差值沉降均為線性。采用線性內(nèi)插方法可以發(fā)現(xiàn)，在路基處，當(dāng)橫向附加拉應(yīng)力比極限拉伸強(qiáng)度大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)拉伸裂紋[6]。

路面在不斷地經(jīng)受著汽車等外界荷載的作用，在路基的荷載作用下，產(chǎn)生了裂紋，并逐步向裂縫蔓延[7]。因此，道路強(qiáng)度與其允許應(yīng)力的關(guān)系如下：

式（1）中，TP表示路基結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力；表示路基抗拉強(qiáng)度系數(shù)；MR表示路基結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

瀝青混凝土材料和無機(jī)結(jié)合料抗拉結(jié)構(gòu)系數(shù)按如下公式計(jì)算：

3 公路改擴(kuò)建工程新舊路基銜接處施工質(zhì)量控制方案

3.1 新舊路基銜接處不均勻沉降等級(jí)劃分

在綜合考慮路面結(jié)構(gòu)材料的極限抗拉強(qiáng)度后，將其作為控制裂縫的重要因子。當(dāng)新路面在加寬后產(chǎn)生的不均勻沉降超過一定的臨界值后，其下層的張應(yīng)力比基層的穩(wěn)定碎石強(qiáng)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(shè)置的臨界點(diǎn)大時(shí)，相應(yīng)的斜坡變化率小于0[11]。在此基礎(chǔ)上，將地基穩(wěn)定碎石的拉應(yīng)力作為控制指標(biāo)，對(duì)不均勻沉降進(jìn)行了精確的控制，最終沉降量計(jì)算公式如下：

在增大的附加應(yīng)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(kuò)展則是最大的。從上述基礎(chǔ)附加應(yīng)力出發(fā)，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(chǔ)拓寬而產(chǎn)生的最大差別[12]。

新舊路基沉降量計(jì)算公式如下：

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

以不均勻沉降及其相應(yīng)的斜坡變動(dòng)率為上限，將加寬和改擴(kuò)建兩側(cè)道路基底的不均勻沉降進(jìn)行了歸類，表2中顯示了歸類結(jié)果。

表2 不均勻沉降等級(jí)劃分

由表2可知，在1等級(jí)的沉降級(jí)別下，一般認(rèn)為路基不會(huì)出現(xiàn)明顯的損壞，無須采取相應(yīng)的防護(hù)措施；在2等級(jí)的沉降級(jí)別下，則應(yīng)采取相應(yīng)的預(yù)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(qiáng)夯法[13]；在3等級(jí)的沉降級(jí)別下，路面將產(chǎn)生裂縫和破壞，必須采取灌漿等措施進(jìn)行加固；在4等級(jí)的沉降級(jí)別下，路面的裂紋十分嚴(yán)重，應(yīng)采取多種措施聯(lián)合進(jìn)行加固[14]。

3.2 新舊路基銜接處施工步驟控制

根據(jù)新舊路基銜接處不均勻沉降劃分的等級(jí)，設(shè)計(jì)新舊路基銜接處施工控制步驟如下。

步驟1：原有路基挖臺(tái)階。為提高新、舊路基的整體穩(wěn)定性，應(yīng)在填筑之前對(duì)原有路基進(jìn)行開挖。圖2顯示了臺(tái)階的具體尺寸和位置。

圖2 原有路基挖臺(tái)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(jìn)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(jìn)行了開挖。在硬路肩開挖后，對(duì)原有的路基進(jìn)行填筑。如符合要求，進(jìn)行填筑[15]。

步驟2：對(duì)新舊路基結(jié)合部強(qiáng)夯。為強(qiáng)化新老路基的結(jié)合，必須在路基頂部下進(jìn)行80 cm、20 cm的加固。

步驟3：新舊路基結(jié)合處鋪土工格柵。為減小新老路基沉降差，采用了鋼塑復(fù)合網(wǎng)格網(wǎng)作為土工格柵。在此基礎(chǔ)上，采用土側(cè)受壓后的應(yīng)力，以降低銜接處開裂的可能性。

土工格柵的鋪設(shè)過程如下：①由于施工中對(duì)路基的平整性有很高的要求，所以在進(jìn)行土工格柵施工之前，應(yīng)嚴(yán)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(fēng)方向進(jìn)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(shè)完土工格柵后，應(yīng)選擇低干密度或高顆粒物質(zhì)的山區(qū)土和石渣。在實(shí)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(jìn)度；顆粒過大，則會(huì)破壞網(wǎng)片的經(jīng)緯方向，造成機(jī)械損壞，從而影響網(wǎng)片的使用效果。在這一層中，最好使用強(qiáng)烈的風(fēng)化砂石。④卡車不能通過已經(jīng)鋪設(shè)好的土工織物，填充物應(yīng)由一端或兩側(cè)開始，并逐漸覆蓋。⑤當(dāng)填料的厚度達(dá)到某一程度時(shí)，用平地機(jī)器把它弄平，并注意防止劃傷的圍欄。通過對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，以滿足其致密要求。

基于上述步驟，完成公路改擴(kuò)建工程新舊路基銜接處施工質(zhì)量控制。

4 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證公路改擴(kuò)建工程新舊路基銜接處施工質(zhì)量控制研究的有效性，采集、整理并分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。選取K101+550-K101+580斷面為觀測(cè)對(duì)象，在每次添加路基過程中，就需觀測(cè)一次沉降深度。當(dāng)路基添加到指定高度后，需每隔一個(gè)月再觀測(cè)一次沉降深度。半年內(nèi)路基沉降深度如圖3所示。

圖3 半年內(nèi)路基沉降深度

由圖3可知，在1.5 m處的沉降量，隨著時(shí)間增加，沉降深度由0變?yōu)?0.4 mm；在9.5 m處的沉降量，隨著時(shí)間增加，沉降深度由0變?yōu)?0.7 mm；在21.5 m處的沉降量，隨著時(shí)間增加，沉降深度由0變?yōu)?4 mm。

基于此，分別使用改擴(kuò)建新舊路基拼寬差異性沉降控制技術(shù)、基于數(shù)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(zhì)量控制方法，對(duì)比分析不同處沉降量下的沉降深度（如圖4）。

圖4 3種方法沉降深度對(duì)比分析

由圖4（a）可知，使用改擴(kuò)建新舊路基拼寬差異性沉降控制技術(shù)，沉降深度最大值為-0.5 mm；使用基于數(shù)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(zhì)量控制方法，沉降深度最大值為-0.4 mm，與實(shí)際數(shù)值一致。

由圖4（b）可知，使用改擴(kuò)建新舊路基拼寬差異性沉降控制技術(shù)，沉降深度最大值為-1 mm；使用基于數(shù)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(zhì)量控制方法，沉降深度最大值為-0.5 mm，與實(shí)際數(shù)值相差0.2 mm。

由圖4（c）可知，使用改擴(kuò)建新舊路基拼寬差異性沉降控制技術(shù)，沉降深度最大值為-3 mm；使用基于數(shù)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(zhì)量控制方法，沉降深度最大值為-4 mm，與實(shí)際數(shù)值一致。

通過上述分析結(jié)果可知，使用基于Flac3d的新舊路基銜接處施工質(zhì)量控制方法，對(duì)于沉降深度具有精準(zhǔn)控制效果。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證控制方法具有良好控制效果，分別使用3種方法對(duì)比分析壓路機(jī)收邊前后壓實(shí)度，對(duì)比結(jié)果見表3。

表3 3種方法前后壓實(shí)度對(duì)比

由表3可知，使用改擴(kuò)建新舊路基拼寬差異性沉降控制技術(shù)，在不同樁號(hào)下壓實(shí)后的最大值為98.3%，與實(shí)際數(shù)據(jù)最大值相差1.4%；使用基于數(shù)值模擬的非均勻沉降控制方法，在不同樁號(hào)下壓實(shí)后的最大值為98.0%，與實(shí)際數(shù)據(jù)最大值相差1.7%；使用基于Flac3d的新舊路基銜接處施工質(zhì)量控制方法，在不同樁號(hào)下壓實(shí)后的最大值為99.6%，與實(shí)際數(shù)據(jù)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(zhì)量控制方法，對(duì)壓路機(jī)收邊壓實(shí)也具有良好控制效果。

5 結(jié)語

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，道路改擴(kuò)建工程將會(huì)不斷增多，但目前我國(guó)在改擴(kuò)建道路上尚無一套行之有效的規(guī)范，為此研究了一種公路改擴(kuò)建工程新舊路基銜接處施工質(zhì)量控制研究方法。采用有限元軟件分析方法，對(duì)不同沉降條件下的加寬路面進(jìn)行了應(yīng)力分析，并對(duì)其進(jìn)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(fā)展中，機(jī)器視覺技術(shù)聯(lián)合3D打印技術(shù)一體化解決公路路基沉降問題值得期待。