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    高速公路改扩建项目基层沉降与加固技术研究分析

    时间：2023-02-21 09:30:18来源：百花范文网本文已影响人

    党振安

    （甘肃第七建设集团股份有限公司，甘肃 兰州 730000）

    我国高速公路建设，依托国家顶层的政策及行业务实的发展战略，在广袤的国土上，建立起了横贯东西、纵深南北、遥遥领先世界的高速公路网，为国民经济发展及各种元素沟通交流提供了最为畅通的渠道。但是，备受成绩鼓舞的同时，也应正视部分已建成高速公路与时代发展脱节的难题。早期建成的部分路网，因设计水平局限性，未能长久地考虑到当地经济社会的发展、车辆保有数量剧增、生态环境保护以及服务水平低下等问题，导致其无法满足日益增长的交通需求。相比于新建高速公路，在尽量确保经济效益的前提下，对已有高速公路的改建、扩建与升级加固，是不多占用土地资源、绿色环保最优解决方案。

    高速公路改建、扩建以及升级加固，是一项依托于新时代高质量发展背景下的综合性强、复杂程度高的全新产业，其建设内容可以涵盖新标准与旧标准的覆盖替代、新公路与旧公路的质量衔接、新设施与旧设施的更新换代，从中衍生出的新技术、新材料、新工艺、新设备，又可作为高速公路建设行业全新的领域，对于行业转型发展及人力资源的利用都具有十分重要的意义。通过原有高速公路的改建、扩建及升级加固，将原有车道升级为匹配日益增长需求的拓宽车道，提高高速公路路面质量，提升高速公路服务能力，扩充车流通行能力，依托5G信息技术的发展，全面提升高速公路绿色运输、智慧管理的需求。

    高速公路在国民经济的建设与发展中占据牢固的地位，高速公路网的全面串通建设，是联动各个不同地区经济发展的关键所在。伴随公路行业在新时代下全新的发展机遇，高速公路上的车流量呈逐年递增状态，这就导致部分的高速公路无法满足未来的发展趋势，基于上述原因，大段里程高速公路需要改扩建。区别于新建的高速公路，高速公路的改扩建工程在技术方面而言，也是十分不易，且在建设过程中，路基结构的改扩建就显得尤为重要，施工阶段要充分考虑并且避免因新旧路基之间施工产生的不均匀沉降问题，保证高速公路改扩建的施工质量[1]。

    针对高速公路在改扩建阶段出现的基层不均匀沉降等问题，国内部分高校及研究机构已经在相关方面开展了非常多的研究，研究结果涵盖高速公路基层防水、路基拼接结构稳定、不均匀沉降发生机理、解决基层沉降的主要技术等关键性问题。理论研究结果显示，高速公路在改扩建阶段因发生的基层沉降而产生的结构不稳定现象主要表现在以下几个方面。

    2.1 高速公路改扩建新老基层连接失稳

    高速公路在改扩建阶段，由于设计、施工、材料、工艺、地质等因素的影响，老基层无法与新基层产生很好的衔接，导致结构不稳，从而产生路基滑移以及坍塌现象的发生。且在复杂地质条件路段，高速公路改扩建时常见的病害会因地基土软弱、大跨度位面、大高差断面等因素，产生不同的结构变形裂缝及基层滑移量，对高速公路整体的强度及安全性能是个极大的考验，上述问题如果不能得到很好的解决，始终是制约高速公路发展的一项瓶颈问题。

    2.2 高速公路改扩建基层不均匀沉降产生的路面损毁

    高速公路改扩建施工完成以后，常见因新旧基层结合之后不均匀沉降产生的结构层断裂，进而影响到路面的结构层及使用性能。当路面材料为水泥路面时，常见的病害多为基层结合部位的裂缝，以及影响到路面板块的裂缝。当路面材料为沥青路面时，常见的病害多为新老基层连接处填料的松动，以及基层结合面的碎裂及路面板块的断裂。高速公路改扩建时基层不均匀沉降导致的基层及路面裂缝，如遇降水，水会沿裂缝下渗，破坏路基与地基，导致路面承载能力及强度出现不可挽救的下降，如遇寒冷天气，还会产生冻胀现象。上述因改扩建产生的病害，都会造成路面结构的损伤，致使高速公路在改扩建之后反而会出现结构失稳，承载力下降，危及行车安全的种种隐患。

    2.3 高速公路改扩建基层受力不匹配而产生的离析

    高速公路路面结构的基层，因其材料性能及力学性能的不同，可以分为柔性基层、半刚性基层以及刚性基层3大类[2]。柔性基层通常有被称为大粒径透水性沥青混合料，施工人员习惯将它称之为“大黑碎”。柔性基层整体的性能体现为具有良好的透水性，但因其组成材料的特殊性，导致柔性基层会在烈日暴晒、车辆自重等作用下产生微弱的局部变形，导致路面上形成难以消除的车辙印记，长久以往，路面的车辙印记与基层的不均匀沉降的变形产生累积，从视觉效果上加大了高速公路整体的变形。因此，要减小基层受力不匹配而产生的离析，就要控制高速公路路面基层的设计选用，控制其整体的变形程度。而对于半刚性基层和刚性基层来讲，由于其自身结构的稳定性，不会产生类似柔性基层不可恢复的变形，也正因如此，半刚性基层及刚性基层作为改扩建时的新基层，会与原有道路的基层发生无法贴合的脱空现象，导致基层底部的受拉应力增大，引发基层断裂的现象发生。

    3.1 高速公路改扩建基层沉降理论分析法研究

    现阶段有关基层不均匀沉降的理论研究多为预测计算，主要可以概括为以下2个方面，一方面是选用大量的现场及实验数据，采用计算机构建模型，代入工程建设参数进行较为复杂的计算；
    另一方面则是利用理论的基层沉降数据与现场勘测的实际数据进行实时分析与比对，依托于实际数据对理论计算进行修正处理，从而得到更为精确的计算方式，但缺点是不具有代表性。上述方法经常出现在理论计算中，但是实际应用时，仍需要面对许多不可忽略的问题，譬如：土体材料的不稳定性，因其很容易受外界水、压力、地质气候等外界条件的影响，代入已有的土体参数进行相关的计算，最终得出的结果可能会存在着较大的误差。

    3.2 常见的分层沉降法计算

    以模拟的一段高速公路改扩建工程为基础进行理论计算，同时要考虑基层受到的路面车辆荷载以及高速公路在基层上部的自身重量荷载，也要考虑到基层自身的沉降与变形，理论表明，土体压力小于某一个数值时，土体粒径之间的压缩量及孔隙水的挤压量可以忽略不计，因此，本计算不考虑土体受其他因素的影响，仅以承受荷载及自然沉降对改扩建阶段的沉降量进行一个理论上的计算。

    首先我们假设，这段高速公路土层已经在压力P1的作用下趋于压实状态，土层高度为H，土颗粒总体积为Vs，孔隙比为E1，可以得出该土层孔隙体积Vv=E1Vs，总体积则为V1=Vv+Vs=（1+E1）Vs。我们再次假设，将土层的压力P1增加为P2=P1+ΔP，在压力P2状态下的稳定土体高度为H1，这时的土体孔隙比为E2，则该土体在这一阶段产生的压缩量可以为S=H1-H，孔隙体积变化为E2Vs，总体积则为V2=Vv+Vs=（1+E2）Vs，于是可以计算得出，由于压力的增长，土体的单位体积变化为：

    计算过程中，不考虑其他力的作用，并假设压缩前后土体的截面面积A保持不变，则可以计算出单位体积下，土体模型体积变化量为：

    根据以上计算，可以得出，土体的压缩量S可以计算为：

    若采取分层总和的思路，将改扩建的基层总压缩量分为M个阶段，假设第n个阶段的压缩量为Sn，且基层沉降总量S可以视为各阶段沉降量的总和，则可以计算为：

    由上述理论计算可以看出，分层总和的计算方式只是考虑了基层最为基础的竖向沉降，没有添加其他外力因素的干扰，也未考虑到土体由于承受荷载而产生的横向变形。在实际建设过程中，需要改扩建的高速路段条件都比较复杂，基层会在自重荷载的作用下，产生横向变形，此时的基层沉降量需要辅以边坡的力学稳定性进行计算，因此，计算时要综合土压力在横向竖向的作用，完全考虑到基层沉降的影响因素，将数据得以修正，以达到最为精确的计算效果。

    3.3 理论计算方法分析

    高速公路改扩建后的基层沉降量的计算有很多种方式，但大都较为复杂，因为要综合考虑的因素较多，或者计算要代入的参数较为多变且数量庞大，采用上述的分层计算方式可极大地使得计算过程简化，代入数据量小，在道路等级高且路况良好的高速公路上，可以采用上述方式对基层的沉降进行监测与计算，确保变形数值稳定在合理可控的范围之内。

    4.1 基层回填材料的选用

    改扩建后的基层回填，必须要选用压实度好、水稳定性高、强度满足规范要求的材料。回填后基层强度依据《公路路基设计规范》《公路路基施工技术规范》中CBR值（指材料贯入量达2.5 mm或5 mm时，单位压力对标准碎石压入相同贯入量时的标准荷载强度的比值）的要求及设计要求最终确定[3]，在保证经济条件的基础上，较好的回填材料可降低基层不均匀沉降的变形。

    4.2 设置土工格室

    高速公路改扩建施工时，可将土工格室运用于垫层或边坡结构，以增加基层的承载力及稳定性。土工格室因其材料的特殊性，施工时拉成网格状，在网格内可以填入因基坑开挖而产生的泥土、碎石等无法用于回填的材料，能够形成具备侧向刚度的结构体，且其可以用于湿陷性黄土、泥质土等不同条件下的高速路建设。在高速公路的改扩建施工中，新旧基层连接处，可以开挖台阶，并在每层台阶上铺设网格状的土工格室，利用土工格室优异的承载能力增强及荷载分散的特性，解决新旧基层不均匀沉降的病害。但是在对旧有道路进行改扩建时，设置的土工格室在每个台阶上均匀铺设，从基层根部到路基边坡，由于土工格室是依靠摩擦作用进行工作，而摩擦面又是依据压力与接触面积进行确定，所以如果是进行了非对称设置的话，则有可能会出现受力不合理的状况发生。

    4.3 排水设施的布置

    位于降雨多发地段或受地下水冲蚀的高速公路，在改扩建过程中，务必结合原有的排水措施，对满足改扩建要求的高速公路使用年限，进行排水设施的深化设计，保证其不会因降水未能及时排出，从而影响高速公路的路面强度及行车稳定性能，引发新旧基层的加速不均匀沉降。实践证明，高速公路排水设施优化布置至关重要，关乎高速公路路面病害的养护剂结构稳定性的安全要求。

    4.4 控制路基压实度标准

    高速公路改扩建工程中基层压实度的要求，需满足《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）的要求，在正常设计要求下的压实方法之外，还可以采用大吨位冲击碾压及补夯的方法进行基层压实的处理，杜绝因基层压实度不够而产生的不均匀沉降。

    4.5 注浆加固措施的应用

    基层发生沉降现象时，可依据沉降量的大小，对基层结构实施注浆加固技术。注浆时，首先应对结构病害产生部位进行明确标识，划定范围之后，对注浆孔位进行定位放线，按设计规范要求对注浆的配合比进行调配，满足要求后进行注浆工作。注浆要采用压力设备进行注射，充分依靠压力的作用将水泥浆等材料灌入结构，既要确保注射路径都有浆液注满并填充密实，也要确保浆液不能过多溢出，影响其他部位的结构稳定，导致发生道路起拱等危及行车安全的状况发生。浆液通过注浆孔进入加固结构，对于小于注浆压力的区域进行填实，当加固区结构强度大于注浆压力，则浆液通过泄浆孔流出，依靠液体的穿透能力，保证加固区域的加固成效[4]。

    高速公路改扩建时常发生的基层沉降现象，一直是困扰从业人员施工与运维的持久性问题，本文针对在高速公路改扩建阶段发生的基层沉降现象进行了分析，结合工程实际与理论规范研究，提出了一种可实施运用的计算方式，以期在设计阶段及施工阶段，对基层的沉降量进行一个大致的判断，从而在技术层面进行方案的制定与相关措施的研究，提升道路施工安全，降低可预估的风险等级，基于文中新老基层沉降原因的分析，进而有针对性地研究并提出其加固处理措施，在理论上为从事该产业链的相关人员带来相应的启发与思考。

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