罗凤伟黔南州航务发展中心摘 要：公路工程中常采用路基扩宽技术，本文研究了几种控制公路扩宽路基变形的技术，例如削坡构造台阶、轻质填筑土和增设土工材料等，分别从增加新旧路基接合面抗剪变形能力、降低路基自重和提升新旧路基变形协调能力等方面，一定程度降低了新旧路基的差异沉降。其中采用轻质路基填料和增设土工材料混合的方法能够大幅提升扩宽路基的工作性能。本文研究可为后续的研究提供支撑。 关键词：变形;差异沉降;轻质土;路基扩宽;土工材料;
作者简介：罗凤伟(1987-)，男，工程师，主要研究方向:道路工程。; 引言截至2019年末，全国公路总里程达501.25万公里，公路密度52.21公里/百平方公里，载货汽车运输量13587.00万吨位。随着运输量逐年提升，限于早期公路建设的工艺水平、规划理念等，一些公路运力难以满足经济发展的需求。对既有公路改、扩建，提高公路等级，增加运输能力，在实际工程中具有较强可操作性和经济性。而新、旧路基受材料、工艺和环境等诸多因素影响，路基易产生不均匀变形，引起路面纵向裂缝乃至失稳影响交通。 1 扩宽路基变形理论依据扩宽路基沉降理论，原路基及其下部地基在自重和长期车辆荷载作用下，因土颗粒之间的孔隙逐渐压缩完成固结;在扩宽路基自重和车辆荷载附加应力作用下，原路基发生二次压缩较小变形[1]。旧路基固结早已完成，新增荷载产生的沉降小，新建扩宽路基在施工期和运营期受材料自重和车辆荷载作用，固结沉降直至稳定，产生远大于旧路基的沉降量[2]，沿道路中线向路肩方向的竖向变形先增大后减小，最终呈现出一种“漏斗”的变形状态[3,4,5,6]。从力学角度，新旧路基接合处，填筑材料没有足够的黏聚力，扩宽路基在自重和车辆荷载作用下，产生的下滑力超过接合面之间的抗滑力，如图1所示。最终在接合面产生剪切破坏，产生路面顶部纵向开裂和基层顶部弯拉开裂等现象。
图1 路基接合面受力示意图 2 扩宽路基变形控制扩宽路基面临的首要问题是新旧路基的差异沉降，引起扩宽路基不均匀沉降的因素有填筑材料物理性质、回填压实度、含水率、施工工艺、抗滑移措施、地基处理等几个方面，可依据工况采用恰当的防治措施。 2.1 采用合适路基填筑材料郑鹏飞[7]通过单轴固结试验研究了洛川剖面各土层的压缩特性，指出土体的压缩模量随压实度的增加而增大，压缩系数则随压实度的增加而减小，且受含水率影响显著。王飞[1]指出扩宽路基压实度应比新建路基压实度提高1个百分点，分层碾压填筑后，再用冲击式压路机增强补压，以提高压实度。离心试验研究表明，提高压实度可减小路堤本身沉降，但并不能有效控制扩宽路基的差异沉降，在素土路基中增加一定的粘合剂，可一定程度上提高路基模量，降低路基的沉降，并改善差异沉降[8]。涂慕溪等[9]对比分析三种路基材料填筑高度对路基模量和沉降量的影响时发现，采用较重路堤比较轻路堤重力增大8倍，但其弹性模量比并未发生较大变化。
常见的轻质路基填料有粉煤灰、矿渣、轻质土或EPS等，其密度约为普通土的1/3～1/10，作为路基填料时，可有效降低路基顶面沉降，最大减少路基顶面沉降约20%[10]。泡沫轻质土受水固比影响，无侧限抗压强度可达到3370k Pa，湿密度仅为0.718g/cm3，可有效降低填筑材料的自重[11]。 表1 几种常用建材的容重(k N/m3)
表1 几种常用建材的容重(k N/m3) 杨琪[12]采用UDEC研究气泡轻质土路基和原有路基之间的不连续性。结果表明，随着路面荷载增加，旧路基内部塑性变形增大，并在路基中线最终出现塑性屈服;轻质土路基底部出现局部拉伸破坏，并最终在旧路基出现塑性破坏后发生屈服。 EPS材料质量轻，在路基处理工程中广泛应用，由于EPS颗粒之间没有黏聚力，需要加入一定量的粘合剂[13]。裴振伟等[14]指出EPS颗粒体积占比每增加10%，轻量土重度减小约2g/cm3，但不得超过2.01%，否则将会增加土体制备的困难;无侧限抗压强度试验表明，同条件素土样抗压强度为79.98k Pa，而EPS颗粒混合轻质土的抗压强度范围为103.2～1359.0k Pa，抗压强度明显优于素土材料。
图2 轻质路基填料作用 2.2 降低新旧路基界面滑移新老路基之间的结合处剪应力大，且存在应力集中，当剪应力大于接合面的抗剪强度时，将出现路基边坡失稳破坏。通常采用削坡、构造台阶和布设土工材料等，以降低接合面滑动剪切力，增加界面的抗滑力和提升新旧路整体变形协调性。
胡志强[3]通过数值方法分析了1∶0.8～1∶1.5四种情况扩宽路基的竖向及水平向位移。结果表明，削坡使得原路基应力场发生改变，导致路基竖向位移有所增大，但由于削坡能促进新旧路基结合使得水平向的位移有所减小，甚至出现负位移，利于提升路基稳定性。 王飞[1]对不同台阶尺寸对沉降差异的影响分析，得出最优台阶尺寸为宽0.9～1.2m，高0.6～0.8m，并建议台阶向内保持2%～4%的倾斜量。夏英志等[15]从挖方量和原路基的稳定性考虑，建议构造台阶的高宽比在1∶2，台阶开挖高度为0.6～1.0m，且不要超过2.5m。 在土体中增加土工格栅(表2)，可形成复合体共同承担外力作用，提高路基稳定性，在高速公路改扩建工程中广泛应用[3]。有限元分析结果表明，采用土工格栅后能有效改善路基的剪应力分布，提高路基的稳定性，路基沉降同比会减低约10%[3,16]。实测结果表明，竣工后3到16个月内，扩宽部位的水平位移呈现出明显的非线性特征，土工格栅起到了很好的控制变形的作用[17]。 表2 采用土工格栅的公路改扩建工程
表2 采用土工格栅的公路改扩建工程 泡沫轻质土掺合土工材料可形成一种复合加筋泡沫轻质土，当加筋量约为0.75%时，施工期基底沉降量可比普通填土路基减低55.1%。加筋量增加至1.5%时，路基坡脚位移降低79%，明显改善了施工中产生的沉降和提高了路基的稳定性[18]。 3 结论在长期荷载作用下，旧路基固结沉降变形已经完成，扩宽路基与旧路基存在不同步变形的差异沉降，导致路面开裂和失稳。在素土中拌合一定比例的粘合剂可提高路基变形模量，改善差异沉降。 轻质路基材料自重轻，降低了作用于基础底面的附加荷载，同时减小了扩宽部分的下滑作用力，且掺合了粘合剂的轻质土自身的抗变形能力得到提升，使得协同变形能力得到提高，可有效改善路基变形。 合理设置新旧路基接合面构造，一方面有助于旧路基的施工稳定性，提高新旧路基之间的抗剪强度;另一方面土体加筋则增加了土体纵、横向的变形协调能力，使得整体协同受力的整体性得到加强，新旧两部分路基的变形得到相互的约束。 参考文献[1] 王飞.高速公路路基加宽施工质量控制技术研究[D].石家庄:石家庄铁道大学，2014. [2] 胡志文.高速公路拓宽工程路基差异沉降分析与控制技术研究[D].重庆:重庆交通大学，2017. [3] 胡志强.路基加宽不均匀沉降及其对路面结构应力影响分析[D].长沙:湖南大学，2019. [4] 冯忠居，王溪清，芦佳，等.山区加宽路基挡土墙现场试验及数值模拟分析[J].重庆交通大学学报(自然科学版)，2019,38(11):69-75. [5] 万智，邓宗伟，刘宝琛，等.山区拓宽公路挡土墙路基的受力与变形特征分析[J].岩土力学，2007(5):921-926. [6] 许利东，张关钦，张延杰，等.软土地基公路改扩建数值模拟及施工技术研究[J].建筑施工，2020,42(1):110-112. [7] 郑鹏飞.洛川等黄土剖面重型标准击实黄土压缩特性研究[D].西安:长安大学，2018. [8] 杨成忠，周俊磊，宁乐乐.老路拓宽研究进展与展望[J].公路交通科技(应用技术版)，2008(8):5-7. [9] 涂慕溪，陈礼彪，曾俊铖，等.基于有限元的地基-路堤-路面协同变形机理分析[J].公路交通科技，2019,36(11):33-39. [10] 孙思博.泡沫轻质土在高填涵洞中应用的实验与数值模拟研究[D].长春:吉林大学，2017. [11] 郭继红.泡沫轻质土在路堤工程中的应用研究[J].技术与市场，2020,27 (8):82-83. [12] 杨琪.气泡轻质土在山区公路拓宽应用中的力学特性研究[D].绵阳:西南科技大学，2017. [13] 杨玉婷，杨婧，李娟，等.EPS颗粒轻质混合二灰土强度性质的试验研究[J].山西建筑，2020,46(6):45-47. [14] 裴振伟，侯天顺，骆亚生.EPS颗粒混合轻量土无侧限抗压强度特性试验研究[J].工程地质学报，2018,26(6):1454-1462. [15] 夏英志，张会远.郑漯高速公路扩建工程路基拓宽施工技术[J].铁道建筑，2009(5):93-96. [16] 刘巍巍，李永会，张百永，等.路基拓宽工程中土工格栅加筋特性有限元分析[J].公路工程，2016,41(3):158-161. [17] 史芳，薛晓辉，李秋全，等.土工格栅二灰土加宽路基的力学特性[J].公路交通科技，2014,31(9):24-29. [18] 骆永震，许江波，王元直，等.加筋泡沫轻质土路基施工过程应力变形模拟分析[J].科学技术与工程，2020,20 (25):10379-10387.  |
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