拓宽路基结合部病害类型及受力分析
关键词：拓宽路基；病害类型；受力分析
我国的高速公路起步晚，再加上各地经济、技术的不均衡，已经修建完成的高速公路存在着各种问题。在上世纪修建的高速公路中，由于受到建设思路、技术及经济水平的影响，其大部分的路段为双向四车道，甚至存在双向两车道的情况，已经不能满足交通量的需求，高速公路的发展已经迫在眉睫，否则或将成为制约经济发展的障碍。高速公路运力不足的问题已经开始影响我国经济的发展，要想解决这一问题通常有三种途径：一是加密路网；二是近距离新建方案；三是老路拼宽方案。我国目前解决高速公路不能满足经济发展的问题主要采用的是旧高速公路拼宽的方案。随之而来的是一系列的技术问题，如何使新老路基能够尽可能好的拼接在一起，降低新老路基的不均匀沉降，减少新老路面连接处的裂缝，增强行车的舒适性与通行能力，是我们需要迫切解决的问题。
根据对我国已拼宽高速公路的监测数据及使用情况的调查研究，如果不考虑公路在设计、施工过程中造成的缺陷导致的病害问题，拼宽高速公路的主要病害包括路基、路面的纵向开裂和新旧路基结合处的横向不均匀沉降。
1 病害类型
根据我国的具体国情，我国在公路改扩建方面并不采用新建公路的方法，这是由于新建公路存在投资大、占用耕地面积较大等原因，因此在我国，对旧路路基进行加宽成为改善高速公路运力不足的主要方式。但是对旧路进行拼宽比起新建公路要存在更高的技术难题，在扩建好的高速公路上往往发生一些拓宽工程所特有的病害，对公路的正常运行产生不利的影响。
高速公路拓宽工程的病害很多，主要病害归纳如下：
1）路基损坏，主要表现为新旧路基的不均匀沉降、顺着新旧路基结合处的滑移和和拓宽部分路基的整体失稳；
2）路面损坏，主要是因为新旧路基的不均匀沉降最终都会通过路面结构反映到路面，归根还是路基病害的变现；
3）路面整体性能下降，随着新旧路基不均匀沉降的发展，纵向裂缝和横向坡度的增长，道路的整体稳定性和服务性能也就不断降低；
4）支挡结构发生破坏，表现为路基挡土墙开裂、整体滑移和倾覆等。
2病害原因分析
根据对我国已完工的拓宽高速公路的调查表明，修建在平原地区的拓宽公路病害主要发生在路面上，主要以纵向裂缝为主。根据对几条已拓宽公路病害的调查总结，可以得出几个共同点：裂缝多发生在高填方路堤段；路面出现裂缝位置下的地基情况较差，一般存在软弱层；裂缝大部分发生在老路上。对于导致这些病害的原因关于黄琴龙认为主要是以下几个方面：
1）新旧路基不能够良好的结合为整体；
2）新旧路基的变形不能统一，存在差异；
3）路基路面的整体稳定性较差，没有足够的抵抗变形的能力；
4）客观因素包括水文、地质条件。
拓宽公路发生病害的原因不是单个因素决定的，往往由多种原因共同影响的结果，在多种因素的共同作用下，导致其病害发生的主要原因是新旧路基的不良结合和不协调变形。蒋鑫认为拓宽公路的病害主要分为新旧路基的不均匀沉降导致的破坏和路基稳定性不足引起的破坏。因此，根据国内外研究现状以及大量工程实际，高速公路拓宽的病害主要是发生在新旧路基结合部，不管是路面损坏还是路基不协调沉降，都是由于新旧路基的性状、固结度不同以及它们之间的不良结合导致的。
3机理分析
FLAC3D 是二维和三维岩土力学有限差分计算机程序）环境下建立数值模型，模拟高速公路路基拼宽的过程，对新旧路基结合部的应力发展进行模拟分析，以得出新旧路基之间应力的发展情况，找到其病害发生的内在原因，根据路基拓宽的病害机理，研究出相应的处治措施。
3.1 水平应力
在不考虑地基沉降的前提下，新旧路基结合部的上部拼接位置首先出现拉应力，其数值和范围都不大，可以认为主要是在自重和外荷载的作用下，由于新填筑路基发生压缩变形，而老路基基本不发生变形，在这两个部分的连接处出现变形不协调，因此产生拉应力。压缩变形最大的位置存在于新路基的上部，但由于新建路基在施工过程中压缩变形发展较大，因此在施工完成后其沉降变形并不大，最终产生的拉应力数值也是不大。而在考虑路基沉降的前提下，新路基的沉降变形就变成其本身的压缩变形和其对地基的压缩变形，其量较大；而老路基地基的变形是因为新路基与老路基的本身的整体性对其附加的压缩变形，其量较小。因
此在原路基的坡脚位置也会产生由于不均匀变形的拉伸区，从而产生拉应力。从拉应力的图上可以看出，新老路基结合的顶部仍是最不利位置，沿着原路基的边坡位置均为拉应力的峰值区，因此应将新老路基的结合位置作为处理的重点位置。
3.2竖向压应力
在未考虑地基沉降的前提下，由新路基产生的竖向应力主要集中在新路基的范围内，在新填路基的形心位置的下方；在考虑地基沉降的前提下，其路基的沉降变形受到影响，从图中可以看出，应力区域逐渐向外侧发展，在数值上也会逐渐的减小。我们可以因此推测，压应力随着时间的延续，其压应力集中位置会逐渐向外侧迁移，当压应力与地基承载力趋于平衡时，其迁移也会逐渐趋于停滞，达到地基稳定的状态。
3.3竖向压应力
在未考虑地基沉降的前提下，由新路基产生的竖向应力主要集中在新路基的范围内，在新填路基的形心位置的下方；在考虑地基沉降的前提下，其路基的沉降变形受到影响，从图中可以看出，应力区域逐渐向外侧发展，在数值上也会逐渐的减小。我们可以因此推测，压应力随着时间的延续，其压应力集中位置会逐渐向外侧迁移，当压应力与地基承载力趋于平衡时，其迁移也会逐渐趋于停滞，达到地基稳定的状态。
3.4 剪应力
在高速公路路基中，如果剪应力值较大，在超过路基土的抗剪强度后，会导致路基的土体发生相互错动，破坏路基的完整性、稳定性和整体承载能力。在拼接的路基中，不考虑地基沉降，路基土剪应力很小，但在考虑地基的差异沉降后，路基土内的剪切应力值明显增大，并且集中在新旧路基结合部的中心位置上。在工程实际中，剪应力的造成的危害小于拉应力，主要是由于剪应力的数值较小，且路基土具有一定的抗剪强度却基本不具备抗拉能力。因此，在路基拼接设计时，将主要考虑拉应力的影响。
4小结
路面的纵向裂缝是由于路基的首先开裂由路基到底基层再到路面由下而上发展起来的，而路基的纵向裂缝是由于新老路基的不均匀沉降造成的。路面的纵向裂缝的产生，不但破坏了路面结构的整体性，影响道路的使用功能，而且容易导致路面积水随着裂缝进入路面、路基结构，导致一系列的病害的发生，随着路基裂缝的发展，新老路基的整体性和承载能力也会随之破坏和降低，严重影响公路的使用功能。总而言之，拓宽高速公路病害的主要原因就是新老路基结合处的不均匀沉降造成的，因其产生的一系列的路面、路基裂缝，路基承载力的降低是拼宽高速公路的主要病害。
参考文献:
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