張凱樂(lè)

（石家莊市公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，河北 石家莊 050000）

1 路基加寬段沉降變化特性分析

舊路基經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間使用，土體固結(jié)沉降基本全部完成，處在穩(wěn)定狀態(tài)。但拓寬施工后，由于土體強(qiáng)度存在差異，會(huì)使新舊路基之間出現(xiàn)一定的差異沉降。為明確新路基加載可能給舊路基變形造成的影響，借助ABAQUS開(kāi)展地應(yīng)力平衡，在達(dá)到平衡狀態(tài)后，土體初始位移達(dá)到零，以此為基礎(chǔ)，對(duì)新路基填筑進(jìn)行加載分析。當(dāng)開(kāi)挖臺(tái)階的寬度和高度分別為1.5m、1.0m時(shí)，根據(jù)每次開(kāi)挖完成后的臺(tái)階的云圖可以看出，伴隨填筑不斷進(jìn)行，新路基產(chǎn)生的沉降明顯增加，并且舊路基兩側(cè)還會(huì)由于新路基荷載增加產(chǎn)生向內(nèi)的位移[1]。當(dāng)新路基填筑高度不斷增加時(shí)，舊路基產(chǎn)生的沉降也明顯變大，當(dāng)新路基填高為4m時(shí)，舊路基產(chǎn)生0.4cm的沉降，當(dāng)新路基填高為6m時(shí)，舊路基產(chǎn)生1.2cm的沉降，在新路基開(kāi)始運(yùn)營(yíng)后，舊路基產(chǎn)生3.1cm的沉降。從以上數(shù)據(jù)可以看出，新路基填筑施工對(duì)舊路造成的影響不斷增強(qiáng)，使拓寬處沉降值增加，最大沉降產(chǎn)生于1/2填高處，即新、舊路基之間的交界處。其原因?yàn)椴捎门_(tái)階法進(jìn)行開(kāi)挖時(shí)屬于分層加載，基本還原工程實(shí)際情況，實(shí)際計(jì)算結(jié)果與一般規(guī)律基本相符。

除豎向沉降以外，在新路基填筑過(guò)程中，水平方向的位移也會(huì)產(chǎn)生明顯變化。新路基填筑時(shí)，路肩產(chǎn)生的變形從0.3cm增加至0.7cm，具體的變化方向?yàn)榕f路基方向，下部變形較大，具體為從0.8cm增加至2.5cm，具體的變化方向?yàn)槠峦狻Ｌ钪r(shí)的最大變形產(chǎn)生于新舊路基之間的拼接帶處，其原因?yàn)榉謱犹钪瓿珊笫茏灾刈饔卯a(chǎn)生一定的壓縮變形。舊路基和地基形成的整體也會(huì)由于新路基填筑施工產(chǎn)生一定水平方向變形，最大變形值產(chǎn)生于舊路基頂部，具體數(shù)值為4.3cm，其原因?yàn)槁坊_(kāi)挖之后產(chǎn)生不斷累積的變形，舊路基基底由于新路基填筑不斷被壓縮，產(chǎn)生向路中側(cè)的水平方向位移，具體數(shù)值為1.1cm[2]。

2 路基加寬段沉降控制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

在改擴(kuò)建工程中對(duì)差異沉降進(jìn)行控制時(shí)，相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)是保證最終控制效果的重要參考依據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)除了要充分考慮與實(shí)際工程之間的適用性，還應(yīng)使綜合效益達(dá)到平衡。目前對(duì)改擴(kuò)建工程進(jìn)行沉降評(píng)估時(shí)，主要采用以下幾種指標(biāo)：總沉降、工后沉降、差異沉降與邊坡率。

對(duì)拓寬工程而言，因舊路基在新路基荷載作用下沉降分布會(huì)出現(xiàn)明顯的變化，具體表現(xiàn)為兩側(cè)沉降相對(duì)較大，而中部沉降相對(duì)較小，因而在拓寬后路基進(jìn)入運(yùn)營(yíng)狀態(tài)后，伴隨路基工后沉降不斷產(chǎn)生，路拱坡度將持續(xù)增大?；诖耍O(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)預(yù)留一定的空間，避免擴(kuò)建結(jié)束后因橫坡產(chǎn)生明顯變化而超出安全允許標(biāo)準(zhǔn)[3]。

由于拓寬工程并沒(méi)有統(tǒng)一的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，因此我國(guó)不同路段的拓寬工程所用的控制標(biāo)準(zhǔn)往往不盡相同，例如沈大高速公路的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為拓寬路基工后沉降量不超過(guò)12cm；滬杭甬高速公路的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為一般路段的拓寬路基工后沉降量不超過(guò)15cm、橋頭段的拓寬路基工后沉降量不超過(guò)5cm，且橫坡比變化不超過(guò)0.5°；滬寧高速公路的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為拓寬路基總沉降量不超過(guò)15cm，工后沉降量不超過(guò)5cm，且路拱橫坡沒(méi)有反坡；常澄至滬寧拼接段的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為拓寬路基工后沉降不超過(guò)10cm[4]。

在地基條件下進(jìn)行拓寬工程施工時(shí)，無(wú)論是變形量還是變形產(chǎn)生速率都比一般路段的高速公路高很多，因此更容易出現(xiàn)沉降和差異沉降，進(jìn)而給拓寬路基質(zhì)量造成嚴(yán)重影響，嚴(yán)重時(shí)將引起縱向開(kāi)裂。因此，由于路基自身工程特性較為特殊，需提出比其他工程更嚴(yán)重的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，具體為：工后沉降的計(jì)算年限要達(dá)到15年以上；拓寬路基工后沉降應(yīng)控制在5cm以?xún)?nèi)；拼接處理部位的橫向變坡率應(yīng)控制在0.3%以?xún)?nèi)；復(fù)合地基部位的變坡率應(yīng)控制在0.2%以?xún)?nèi)。

3 路基加寬段差異沉降控制方法——土工格柵加筋

3.1 技術(shù)概述

土工格柵是采用聚丙烯、聚氯乙烯與其他高分子聚合物經(jīng)熱塑性或模壓制作而成的二維網(wǎng)格狀或三維狀網(wǎng)格，不僅變形模量大、抗拉強(qiáng)度高、抗老化性能強(qiáng)，且摩擦系數(shù)大，可達(dá)到理想效果，實(shí)際加固效果明顯好于采用傳統(tǒng)材料。將該技術(shù)應(yīng)用于拓寬工程當(dāng)中，能對(duì)新舊路基之間的接縫予以有效加固，促使兩者形成一個(gè)完整體，從而將沉降，尤其是不均勻沉降限制在安全范圍之內(nèi)。在舊路基開(kāi)挖完成后，沿縱向在開(kāi)挖形成的臺(tái)階表面鋪設(shè)一道土工合成材料，同時(shí)在新路基中進(jìn)行鋪設(shè)，使新舊路基形成一個(gè)整體。此外，為加強(qiáng)新舊路基的結(jié)合性，還需在舊路基當(dāng)中設(shè)置加固帶。若按照筋材用料及生產(chǎn)工藝，則可將土工格柵分成整體成型格柵、焊接成型格柵、鋼塑格柵與玻纖格柵四種。在選擇具體格柵類(lèi)型時(shí)，一方面要考慮工程需要，另一方面則要考慮材料的單價(jià)與運(yùn)輸?shù)确矫娴某杀尽?/p>

3.2 效果分析

土工格柵一般從地表開(kāi)始鋪設(shè)，向上按照三個(gè)臺(tái)階高度的間隔依次放置，格柵主要物理力學(xué)參數(shù)包括：①密度：20g/cm3；②泊松比：0.25；③彈性模量：80MPa；④黏聚力：16kPa；⑤內(nèi)摩擦角：35°。因格柵厚度相對(duì)較小，因此其結(jié)構(gòu)層需使用厚度滿(mǎn)足要求的均質(zhì)材料替代。

為明確加筋層位和層數(shù)與擴(kuò)寬路基沉降之間的關(guān)系，確定以下工況：

工況一：未鋪設(shè)土工格柵；

工況二：在第一層鋪設(shè)土工格柵；

工況三：在第二層鋪設(shè)土工格柵；

工況四：在第三層鋪設(shè)土工格柵；

工況五：在第四層鋪設(shè)土工格柵；

工況六：在第一層和第四層分別鋪設(shè)土工格柵；

工況七：在第二層和第三層分別鋪設(shè)土工格柵；

工況八：在第一、第二和第三層分別鋪設(shè)土工格柵；

工況九：在第一、第二、第三和第四層均鋪設(shè)土工格柵。

對(duì)以上不同工況條件下的加固效果進(jìn)行對(duì)比和分析，結(jié)果如表1、2所示。

表1 不同工況條件下路基頂部工后沉降

表2 不同工況條件下路基頂部工后水平位移

從以上結(jié)果可以看出：

（1）鋪設(shè)與未鋪設(shè)工況相比，工況二條件下能減少0.283cm的工后沉降，工況三條件下能減少0.207cm的工后沉降，工況四條件下能減少0.205cm的工后沉降，工況五能減少0.281cm的工后沉降，工況六條件下能減少0.413cm的工后沉降，工況七條件下能減少0.333cm的工后沉降，工況八條件下能減少0.438cm的工后沉降，工況九條件下能減少0.494cm的工后沉降；工況二條件下能減少0.334cm的水平方向位移，工況三條件下能減少0.240cm的水平方向位移，工況四條件下能減少0.237cm的水平方向位移，工況五條件下能減少0.331cm的水平方向位移，工況六條件下能減少0.562cm的水平方向位移，工況七條件下能減少0.423cm的水平方向位移，工況八條件下能減少0.648cm的水平方向位移，工況九條件下能減少0.741cm的水平方向位移。由此可以看出，當(dāng)路基高度與臺(tái)階尺寸完全相同時(shí)，不論何種工況，加筋后路基整體工后沉降及水平方向位移均明顯減小。將土工格柵鋪設(shè)于路基當(dāng)中能起到分散荷載的作用，提高土體自身剛度模量，防止路基產(chǎn)生較大沉降，從而減小路基的橫豎向變形。不同工況條件下的路基橫豎向變形并無(wú)太大差異，尤其是路基頂部的差異沉降，保持在4.392～4.679cm之內(nèi)，最大相差只有0.287cm，表明雖然土工格柵加筋能減小路基沉降，但實(shí)際效果比較有限。

（2）根據(jù)以上結(jié)果對(duì)加筋位置和加筋效果之間的關(guān)系進(jìn)行分析。在工況二、三、四、五幾種條件下，無(wú)論加筋位置如何，都能減小路基沉降及水平方向位移，從而降低新舊路基之間的差異沉降。然而，工況二條件下的最大工后沉降數(shù)值為4.965cm，工況五條件下的最大工后沉降數(shù)值為4.933cm，但工況三條件下的最大工后沉降數(shù)值為5.041cm，工況四條件下的最大工后沉降數(shù)值為5.037cm，工況二、五的處治效果比工況三、四好得多，表明進(jìn)行單層加筋施工時(shí)，在路表的頂部或路基的底部進(jìn)行加筋能更有效地減小不均勻沉降，在中部進(jìn)行加筋的減小沉降作用則相對(duì)較小。其原因?yàn)椋涸诼坊幕走M(jìn)行加筋可以增強(qiáng)路基整體承載力，防止裂紋產(chǎn)生與發(fā)展，良好地分擔(dān)從路面?zhèn)鬟f下來(lái)的荷載?；诖耍瑢?shí)際施工時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮在路表或基底處進(jìn)行加筋。

（3）根據(jù)以上結(jié)果對(duì)加筋層數(shù)和加筋效果之間的關(guān)系進(jìn)行分析，對(duì)工況五、六、八、九條件下的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果為：工況五條件下路基表面工后沉降的最大值為4.965cm，工況六條件下路基表面工后沉降的最大值為4.835cm，工況八條件下路基表面工后沉降的最大值為4.810cm，而工況九條件下路基表面工后沉降的最大值為4.754cm；在水平方向位移方面，工況五條件下路基沿水平方向發(fā)生的最大位移為4.215cm，工況六條件下路基沿水平方向發(fā)生的最大位移為3.992cm，工況八條件下路基沿水平方向發(fā)生的最大位移為3.904cm，工況九條件下路基沿水平方向發(fā)生的最大位移為3.811cm。從以上結(jié)果可以看出，當(dāng)格柵鋪設(shè)層數(shù)增加時(shí)，加固效果提升，沉降與位移降低的幅度增大。在以上幾種工況條件下，以工況九差異沉降數(shù)值達(dá)到最小，具體數(shù)值為4.392cm，但僅比工況六條件下小0.056cm，實(shí)際變化并不大?？梢?jiàn)，在路基表面與基底分別布置兩層格柵可以最大限度控制差異沉降，相比之下全層加筋并沒(méi)有顯著優(yōu)勢(shì)，反而會(huì)造成材料和工期上的浪費(fèi)。

經(jīng)以上分析可得，采用鋪設(shè)格柵的方法能減少新舊路基之間的差異沉降，且大多情況下鋪設(shè)兩層格柵即可達(dá)到工程要求，采用全層鋪設(shè)的方案并不能達(dá)到預(yù)期作用與兩層鋪設(shè)并無(wú)太大差別，因此會(huì)造成浪費(fèi)?；诖?，為保證路基施工的安全性與經(jīng)濟(jì)合理性，對(duì)低填方路基而言，建議在路基頂部與地表分別鋪設(shè)格柵，而高填路基需結(jié)合開(kāi)挖臺(tái)階尺寸，按照一定層數(shù)間隔在臺(tái)階上進(jìn)行格柵的鋪設(shè)。

采用土工格柵加筋的方法可以在很大程度上對(duì)路表沉降變形予以改善，緩解路表沉降和側(cè)向變形，但實(shí)際作用存在一定限制。該方法的實(shí)際處治效果會(huì)受到加筋位置、加筋層數(shù)等因素的影響。其中，在路基表面或路基基底進(jìn)行加筋的效果顯著好于在中部加筋；當(dāng)加筋層數(shù)增加時(shí)，雖然處治效果有所提高，但并不現(xiàn)實(shí)，一味按照全層加筋的方案進(jìn)行處治，非但難以達(dá)到預(yù)期處治效果，還會(huì)造成資源上的浪費(fèi)。因此，采用加筋方案控制差異沉降的過(guò)程中，應(yīng)做到具體情況具體分析，例如在低填路基施工中，建議在其表面與地表分別鋪設(shè)一道格柵，而在高填路基施工中，需結(jié)合開(kāi)挖臺(tái)階的具體尺寸大小，按照適當(dāng)?shù)拈g隔層數(shù)在臺(tái)階表面鋪設(shè)格柵。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，差異沉降是高速公路改擴(kuò)建工程路基加寬段施工常見(jiàn)問(wèn)題，為實(shí)現(xiàn)對(duì)該部位差異沉降的有效控制，首先要明確加寬段路基變形特性，然后結(jié)合加寬段路基特點(diǎn)確定適宜的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，最后采用土工格柵加筋等方法加以控制和處治，并根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，確定具體的加筋參數(shù)，保證最終的控制和處治效果。