路基差异性沉降控制技术及其效果分析
刘昌让
文章依托某高速公路改扩建工程，分析了扩建工程实施的重难点，从特殊路基处理、低填浅挖路基处理以及常规填方段路基三个方面研究了路基拼宽关键技术，并通过拼宽路基沉降数据跟踪监测，验证了该技术方案的合理性。
路基;软土;高速公路;沉降;压实度
U418.6+2A130474
0 引言
我国高速公路建设技术已相对成熟，新建高速公路可有效满足民众出行需求。而对于早期建设的诸多高速公路而言，现阶段暴涨的车流量已超越其初期设计通行能力上限，结合高速公路营运实际情况，已实施或筹划实施改扩建加宽的高速公路数量逐年增多。但已有的高速公路改扩建项目实施和开通也暴露了许多问题，其中拼宽后路基的不均匀沉降最为常见，该病害在面层上反映为纵向裂缝。这加大了后期的养护投入，同时也会给管养单位和改扩建工程施工单位带来不良的社会影响。因此要严格控制高速公路改扩建施工过程中的拼宽路基沉降水平，实现新旧路基变形协调变化，减少差异性变形的不利影响。
针对高速公路改扩建过程的各类应用技术，已有专家学者已展开相应研究：陈晖等[1]综合考虑了当地经济发展水平、建设能力以及地区特征，针对杭金衢高速公路隧道扩宽方案及规划进行探讨，对既有隧道实施检测和评估，提出加固整治措施，严格控制爆破振动，并对互通跨线桥段、高边坡段、明暗挖洞口采空段等重点区域的扩宽施工关键措施进行了阐述;李芬等[2]对高速公路装配式加宽技术展开讨论，利用Abaqus有限元分析手段，基于强度折减理论，对加宽路基的稳定性进行了模拟验证，认为需要加强坡上预制桩的单桩承载力，相较于提升桩间摩擦系数以及增加桩径，提升桩长有着更好的路基稳定性提升效果;龚宁等[3]提出了路面动态设计理论，认为高速公路改扩建施工前的旧路质量调查是提升改扩建路面质量水平的关键手段，旧路加铺应充分考虑旧路各层结构层的弯沉水平和病害发生状况，该综合手段能够充分利用原有资源，节约建设成本;曹建大等[4]着眼于严寒地区高速公路改扩建过程中的纵向裂缝发展问题，依托实体高速公路改扩建工程，在裂缝调查统计的基础上进行分类汇总和内在原因分析，提出了纵向裂缝的处治方案，并对其预防提出有关建议;史小魏等[5]依托京哈高速公路改扩建工程，着眼于基层接缝处理施工关键技术方案，先后从拼接结构层清理、水泥浆撒布、混合料离析控制以及拌和碾压等节点工程进行介绍，并对实施后的性能表现进行监测，总结了完善的拼接
流程;冯玉龙等[6]依托山区高速公路桥梁拼宽施工项目，在介绍桥梁特征和结构形式的基础上，研究了一定荷载水平下桥梁拼接处的力学响应变化规律，同时分析了拼接宽度及截面配筋等情况的影响，总结了相应的技术方案;张军辉等[7]对公路改扩建路基拼接施工过程中旧路基处治深度范围的确定方法进行了研究，拟定了6种实施方案并在施工中验证对比其合理性。
综上所述可以发现，目前针对高速公路改扩建工程的各类应用技术已有一定的研究基础，包括纵向裂缝发展及其控制等，然而在更深层次的高速公路扩建路基拼宽差异性沉降控制方面还存在着较大空白。因此，本文依托某高速公路改扩建工程，在介绍工程特征的基础上，分析扩建实施的重难点;针对路基拼宽关键技术展开研究，从特殊路基处理、低填浅挖路基处理以及常规填方段路基三个方面分别进行论述;明确路基拼宽沉降控制关键技术，在高速公路扩建工程中据此实施并跟踪监测拼宽路基沉降数据。研究成果可为高速公路扩建路基拼宽沉降控制工程提供技术指导和数据参考。
1 工程特征分析
为探究高速公路扩建拼宽路基沉降变化规律并总结出有效的控制技术，本文依托某高速公路改扩建工程展开研究。该高速公路扩建前的宽度设计为28 m，改建后对高速公路两侧进行加宽，加宽至42 m，从原本的双向四车道变为双向八车道。改扩建工程所处区域为平原区，地面整体起伏较小且地形较为开阔，周边地层上表面主要分布耕植土，其平均厚度为50 cm，下卧主要为薄层淤泥质土和粉质黏土，另有部分路段耕植土下卧有细砂质土体。
扩建段所处区域年平均降水量为650 mm，降水主要集中于7～8月，季节温差较大，冬季最低气温可达-25 ℃，夏季最高气温则可达41 ℃;从11月上旬即开始产生冰冻，冰冻深度可达1.77 m，次年4月中旬开始解冻。
2 施工重难点分析
在较长时间范围内的自然沉降和车辆荷载作用下，原高速公路路段基层已达到稳定状态，不会再产生明显沉降。在实施改扩建施工后，考虑到工期延长带来的时间成本投入，无法给扩建部分路基预留充裕的时间进行自然沉降。因此，扩建部分路基后期在自然沉降和车辆荷载作用下会发生相对较大的沉降，原路基和拼宽路基之间将会产生差异性沉降值，当该值超过搭接处结构层承受阈值后，搭接处结构层就易发生破坏，进而产生纵向裂缝。通过施工技术手段，将扩建前原路基和扩建部分拼宽路基的差异性沉降控制在合理范围内，是高速公路扩建施工的重难点问题。
3 路基拼宽关键技术分析
3.1 特殊路基段处理措施
在高速公路扩建过程中，拼宽路基易在几类特殊路段处产生较大的差异性沉降，应对其进行单独处理。本文重点阐述的特殊路基段主要包括有3 m以下软土层、3 m以上满足沉降规范软土层以及3 m以上未满足沉降规范软土层三类。
3.1.1 3 m以下软土层
当软土路基为较浅水坑或是淤泥土量不大的农田时，可在填筑路基土前将坑塘中的淤泥挖除、积水抽干，随后换填旧路破碎再生碎石以及砂砾等，其换填高度应超过原地面线35 cm以上（路堤部分或全部侵占水塘时应达到55 cm以上），换填完成后在换填层上表面设置钢塑土工格栅进行加固。
3.1.2 3 m以上满足沉降规范软土层
当路基填筑施工完毕后的沉降值可满足规范要求时，可采取预压方案，从而控制原路基和扩建部分拼宽路基的差异性沉降。采用预压方案时公路基底铺筑60 cm深度的砂砾垫层，并在其上表面设置土工格栅。预压期限应设置在半年以上，填土速率每个月≤0.7 m，在进行下一步工序前，應确保填土层有连续2个月的沉降值均≤1.5 mm。
3.1.3 3 m以上未满足沉降规范软土层
当路基填筑施工完毕后的沉降值无法满足规范要求时，可采取碎石桩复合加固方案。碎石桩直径设置为50 cm，桩长设置有14 m、12 m以及10 m三类，碎石桩间距设置有160 cm和100 cm两类。碎石桩平面点位布置为等边三角形，应额外加固至路基坡脚100 cm处。在软土路基上部铺筑砂砾层50 cm，并在其上表面设置土工格栅。
为跟踪检测碎石桩复合加固方案对3 m以上未满足沉降规范软土层的加固效果，在填筑路基时选取4个试验段进行数据监测，监测数据结果如表1所示。
3.2 低填浅挖路基段处理措施
除上述特殊路基段外，低填浅挖路基段往往具有较大的天然含水率，从而易受冰冻影响产生病害，因此要进行特殊处理。项目所处区域季节温差较大，冬季最低气温可达-25 ℃，从11月上旬即开始产生冰冻，冰冻深度可达1.77 m，次年4月中旬开始解冻，在施工过程中要避开上述时间段。
针对土质浅挖路基，应将路床超挖130 cm并换填山皮土。对于填高在210 cm以下的低填路基，应在130 cm厚的路床区域内选用山皮土，其中填筑山皮土方案用于地表以上部分，换填山皮土方案用于地表以下部分。同时应确保路床下表面处于冻土深度以下，以避免冻融带来的不良影响。
3.3 常规填方路基段处理措施
常规填方路基段在整个施工中所占比重最大，因此要加强重点薄弱环节的把控，通过多项控制技术措施，确保原路基和拼宽路基之间不会产生过量的差异性沉降值。
（1）扩建段所处区域年平均降水量为650 mm，降水主要集中于7～8月。在此时间段进行施工时，要注意避免路基被雨水浸泡，在施工前应及时开挖排水沟。如果现场无法满足排水沟开挖条件，则应采取设置临时排水设施方案，并与地方排水管网相连接。
（2）高速公路扩建前原路基排水沟区域在长期水流作用下，其含水率往往要高于其他路基土体，这也导致其承载力相对较低。因此在扩建时应对该区域进行超挖，同时换填排水性粒料，超挖深度以40 cm为宜。换填并压实后，采用25 kJ规格的冲击碾进行补强，以碾压25次为宜。部分不便冲击碾操作的施工区域应以32 t规格的重型压路机进行替代碾压。
（3）原路基和拼宽路基搭接处是最常发生纵向裂缝的区域，为减少该病害发生，应采用开挖台阶的方案进行施工。采用铣刨机将新旧面层搭接处铣刨得到两个台阶，此时应注意在下层台阶底面预留4 cm左右厚度的旧路二灰粒料，避免下部二灰土受到雨水侵蚀而发生损毁。利用切割设备进行切缝，应注意保持开挖台阶的棱角，切割完成后将原二灰土挖除。预留65 cm宽度的路基搭接处台阶，并沿其边缘向下开挖，开挖深度为80 cm直至达到路床下表面。
（4）完成台阶开挖工作后，应对路床进行压实，并确保压实度≥90%，接着通过液压夯对搭接区域进行夯实。夯实范围应以台阶周边2 m范围为宜，且每填筑1 m台阶应进行一次夯实，每次夯实三遍以上，同时应确保两次夯实间的沉降差≤0.4 cm。夯实先后点位与台阶线间的位置关系如图1所示，按照图示先后顺序往返循环进行夯实。
（5）为确保原路基和拼宽路基之间具备足够的相互作用，从而控制差异性沉降值，可在液压夯补强后采用铺设土工格栅进行加固。除了低填路基段和挖方路基段，常规填方路基段均应在新旧路床搭接处铺设土工格栅。其中下路床的上表面及下表面各铺设一层并以U型钉进行固定，U型钉设置密度应以路宽方向5根/m为宜。
（6）考虑到32 t钢轮压路机无法完全碾压覆盖台阶周边位置，路基搭接处的碾压应单独进行考虑。在施工过程中选取试验段K912+200～K912+700进行压实度数据监测，选取了20个试验点，发现有7个点位均未达到设计要求的96%压实度。为有效解决这一问题，选用18 t三钢轮压路机对碾压完成的区域进行补压收边。补压前后的压实度监测数据见表2。可以发现：通过18 t三钢轮压路机补压收边能有效提升搭接处的压实度，试验点位经补压后均可满足设计要求的96%压实度。
4 路基沉降监测
为了对上述拼宽路基沉降控制技术的效果进行有效评价，对路基进行跟踪沉降监测，并对收集到的沉降数据进行分析。
选取K901+459断面作为试验监测点，对加铺原路基和拼宽路基的沉降情况分别进行监测。其中，沉降监测频率如下：分层填筑路基时，每填筑一层即进行一次监测;在路堤填土高度达到设计标高的首月范围内，沉降监测频率调整为1次/d;施工过程中每逢加载间隙期沉降监测频率调整为1次/3 d;当加载间隙期在一个月以上时，沉降监测频率调整为1次/月。施工半年过程中原路基和拼宽路基的沉降变化情况如图2所示。可以发现，施工半年过程中加铺原路基沉降量处于3～4 mm之间，而拼宽路基沉降量处于6～7 mm之间，二者之间差异性沉降值约为3 mm。
除施工过程外，扩建后高速公路拼宽路基的差异性沉降情况也是需要重点关注的内容，对竣工后投入运营前3个月范围内加铺原路基和拼宽路基的沉降情况进行监测，最终得到运营三个月后的加铺原路基沉降量为1.06 mm，拼宽路基沉降量为1.85 mm，如图3所示，二者的差异性沉降差为0.79 mm。对扩建后高速公路的路面质量进行检测，在路基搭接处未发现有纵向裂缝产生。这说明上文介绍的路基拼宽沉降控制技术取得了较好的成效。
5 结语
本文依托某高速公路改扩建工程，在介绍工程特征的基础上，分析扩建实施的重难点;针对路基拼宽关键技术展开研究，从特殊路基处理、低填浅挖路基处理以及常规填方段路基三个方面分别进行论述;明确路基拼宽沉降控制关键技术，在高速公路扩建工程中据此实施并跟踪监测拼宽路基沉降数据，得出以下主要结论：
（1）特殊路基段处理可采用换填旧路破碎再生碎石、铺设钢塑土工格栅、预压以及碎石桩复合加固等方案进行处理。
（2）低填浅挖路基段应避开冰冻季节，且浅挖路基路床下表面应处于冻土深度以下。
（3）32 t钢轮压路机无法完全碾压覆盖台阶周边位置，可采用18 t三钢轮压路机补压收边，能有效提升搭接处的压实度。
（4）施工半年过程中加铺原路基和拼宽路基差异性沉降值约为3 mm，运营三个月差异性沉降差为0.79 mm且路基拼接处未产生纵向裂缝，说明本文所述路基拼宽沉降控制技术有较好成效。
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