高等级公路改扩建工程路基病害机理及防治

摘 要：在公路拓宽过程中，由于沉降、变形累积和稳定性的差异，在新旧路基之间产生差异沉降，进而会引起原有路基变形，新路基失稳，甚至出现路基拉裂和下沉坍塌病害。以某山区拓宽公路中一段病害路基为例，在调查其病害特征的基础上，分析其形成机理，提出防治方法。

关键词：公路拓宽；病害机理；差异沉降；防治

一、数值模型

1.1基本假设

（1）假设土体为连续、均匀的线弹性体，不发生拉破坏；

（2）填土高度取为4m（近似等于高速公路沿线平均路基高度），按路床、上路堤、下路堤分层。通过对旧路路床、上路堤和下路堤土体进行现场试验，确定旧路路基土体。

（3）计算模型仅包括路基部分。地基变形对模型的影响采用底部指定位移边界的方式，指定位移的大小通过路基填筑引起的地基压缩量（沉降量）来获得。

实施过程中，依据沿线绝大多数区域的工程地质条件，利用数值方法计算获得了拓宽后地基的最终沉降曲线（计算得到的最大沉降值约为7。4cm），将该沉降曲线作为位移边界条件施加于路基，以模拟地基变形对路基的影响；

（4）根据结构的对称性，取整体路基的一半进行分析，左侧施加水平向约束；

（5）计算工况包括两种，第一种工况是没有地基沉降变形；第二种工况是路基施工完成后地基沉降最大值为7.4cm。

1.2数值模型及计算结果

在上述假设基础上，利用FLAC中Fish函数方法建立相应的数值计算模型，模型示意如图1。

图1路基拓宽数值模型示意图

在计算中通过激活拓宽部分的土体单元，模拟路基加宽过程，在拓宽路基全部激活后再在新旧路基底部施加指定的位移，然后进行数值计算分析，获得了两种工况下拓宽后路基内的拉压区域、水平应力、竖直应力及剪切应力分布，如图2。

图2路基数值分布

1.3计算结果分析

对比两种工况下拉伸区及应力分布图，可以得到拓宽路基内水平应力、竖向压应力、剪应力的规律如下：

（1）水平向应力

在附加沉降出现之前，路基顶部的拼接部位首先出现拉应力，数值和范围均较小，如图2（a）。这主要是在自重和外荷载的作用下，新填筑路基发生压缩变形，而老路基基本不发生变形，在新旧路基连接处出现差异沉降，因此产生拉应力。由于新填筑路基在顶部的压缩变形最大，因此拉应力首先出现在路基顶部，而同时由于路基自身的压缩变形在数值上较小，因此所产生拉应力也不大，在图2（a）中，仅在旧路肩顶部有很小区域处于拉伸状态，本文图进行了缩小，不易看清。

（2）竖向压应力

在地基未发生差异沉降的情况下，由附加应力产生的竖向压应力集中在原路基的边坡坡角位置起向外侧的一定范围内，基本上在新填土路基的形心位置的下方；在这个压应力的作用下，地基发生沉降，变形的产生将起到释放和软化应力集中的作用，由图2（b）可以看到压应力集中位置向外侧迁移，在数值上也有所减小。可以推测，随着累计沉降的增加（也可以认为是随着时间的延续），压应力集中位置将越来越缓慢地向外侧移动，并最终趋于停滞，应力大小也和地基承载力形成长期的平衡，即地基沉降稳定。

二、路基拓宽病害机理及防治

2.1路基拓宽病害机理

从数值结果可以看出路面纵向裂缝产生的基本原理为：随着地基差异沉降的增加，路基顶部拼接部位的拉应力将随之增加，并将首先在路基顶部拼接部位附近产生纵向拉缝，裂缝产生后，拉应力重新分布，纵向裂缝底部成为薄弱部位，随着时间的延续和差异沉降的进一步加大，裂缝向下发展；

同时，由于路基拼接部位上方的底基层底部本来就是拉力区，在路基开裂后，其受力条件更为不利，因此底基层逐渐开裂，并由下至上逐层发展，直至在路表出现纵向裂缝。

因此，路基纵向裂缝是由差异沉降造成的，路面纵向裂缝是由路基纵向裂缝发展上来的。路基裂缝导致路基整体性和承载能力的丧失和弱化，路面纵向裂缝在破坏了路面结构的整体性的同时，还容易导致雨水进入路面结构，引起更大范围的病害。路基路面横向不均匀沉降是附加应力在地基顶面沿横向的分布不均衡的结果。通常在加宽路基、路面部分的形心位置附近产生的沉降值最大。发展到路基顶部，如果路面底基层是板体较好的材料，则可能会形成路基顶部局部脱空，使得路面结构受力特性发生较大变化；差异沉降如果发展到路表，则表现为纵向条带状沉陷。

2.2路基拓宽病害防治

根据国内外的应用情况，提高路基拼接质量、减少工后差异沉降的措施主要包括：保证不良地基处理质量、原路边坡开挖台阶、采用轻质路基填料、提高新填土压实度标准、采用高强度的路基填料（如碎石土、砂砾土等）、铺设土工格栅等等。结合高速公路扩建工程的实际情况，除保证不良地基处理质量外，建议主要采用原路边坡开挖台阶、提高新填土压实度标准和铺设土工格栅三种措施。

（1）开挖台阶

原路边坡开挖台阶的作用体现在：①去除边坡一定深度的表层土和压实度不足的填土，换填并压实；②台阶的开挖使得新旧路基结合部有较多的接触面积，抗剪能力增强；③横向台阶面为土工格栅的使用提供一个锚固平台及长度。

台阶的形状对路基拼接质量有很大影响，常见的台阶形式包括标准式台阶、倾斜式台阶和内挖式台阶，具体使用时宜结合工程实际情况通过技术经济比较确定。

（2）提高压实度

在国内外已有工程中，通常拓宽路基的压实度比旧路基提高一个百分点，从而提高拼接路基的整体性，改善路基的受力性能，高速公路公路路基拓宽也将拓宽路基的压实度提高一个百分点。

（3）铺设土工格栅

在新老路基拼接部位分层铺设土工格栅，可以提高路基的整体性，改善受力特性，如降低路基中的拉应力和剪应力，减小路基顶面沿横向的沉降差异，约束路基的侧向位移等。

从数值模拟结果看，土工格栅宜铺设在路床和路基底面各一层。在路床内铺设的土工格栅的主要作用在于防止路基被拉裂，在路基地面铺设的土工格栅的主要作用是均化应力分布，使得路基沉降均匀。土工格栅锚固是路基拼接中的一个技术难题，以往通常采取台阶面自然锚固和“U”形钉锚固两种方案，但这两种方案的锚固长度仅1m左右，效果难以保证。本文通过研究，在高速公路拓宽中，提出了新的锚固方法-锚固板法，该方法是讲钢筋混凝土制成的锚固板采用静压等方法压入路基或地基土中，然后与格栅之间刚性连接，利用锚固板所受的被动土抗力来提高锚固力，这种方式的锚固效能好。

三、结束语

公路改扩建处治的方法很多，各种方案都有其自身的优缺点和适用条件。在进行具体的处治时，要综合考虑其真实病因，对各种处治方案进行充分的研究，然后选择最适宜的方法。

参考文献：

[1]黄骆莹.水泥注浆在处理路基病害中的应用[J].建筑知识.2016（01）

[2]陶振营.有关公路工程路基病害治理方法的思考[J].江西建材.2016（08）