山區(qū)高速公路路基差異沉降特性與控制措施研究

陽 威，楊宗敏

（湖南省懷化公路橋梁建設(shè)總公司，湖南 懷化 418000）

0 引言

前些年我國在平原地區(qū)修建的高速公路已能滿足國民的需求，而現(xiàn)階段我國將修建高速公路的重心轉(zhuǎn)向了西部等一些多山地區(qū)。山區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，地形起伏比較劇烈，修建高速公路時經(jīng)常會出現(xiàn)沉降差異等問題。一旦出現(xiàn)沉降差異，就會損壞公路結(jié)構(gòu)，并且公路路面也會出現(xiàn)裂縫。在這種情況下，公路的使用壽命就會減少。

1 工程概況

某高速公路長147.424 km，以山嶺重丘區(qū)為基礎(chǔ)，有很多高填方的涵洞，最高可以在涵洞的上方20 m處進(jìn)行填充。在路基進(jìn)行工程建設(shè)時，可以在橋附近的20 m處建立非強(qiáng)夯區(qū)，從而降低影響構(gòu)造物的力度，這個地區(qū)和附近地區(qū)地基的壓實(shí)度有著明顯的區(qū)別，而且涵洞的頂部極易發(fā)生沉降現(xiàn)象。

2 路基差異沉降的機(jī)理分析

2.1 路基壓實(shí)度不足引起的差異沉降

路基如果沒有充足的壓實(shí)度，那么路基的附近就會有比較低的壓實(shí)度，從而發(fā)生沉降現(xiàn)象，也就是位于路基中部的沉降小于附近的兩側(cè)路基，若是出現(xiàn)雨水沖刷，這種現(xiàn)象就會更加清晰[1]。一旦出現(xiàn)這種狀況，那么沉降差同時會伴隨著錯臺及沉陷的現(xiàn)象出現(xiàn)在行車道硬路區(qū)域。

2.2 高路基邊坡滲流引起的差異沉降

高填方的路基如果受到雨水的浸泡以及沖洗，那么對于邊坡的穩(wěn)定就會產(chǎn)生直接的影響。

2.3 軟土地基引起的差異沉降

路基兩側(cè)慢慢地降低附加應(yīng)力，最大的附加應(yīng)力位于路基的中部，從而導(dǎo)致軟土地基的產(chǎn)生。所以兩側(cè)小而中間大的形式就是軟土地基出現(xiàn)沉降的表現(xiàn)，如果這種方式出現(xiàn)在具有很大荷載的填方作用下，將會更加清晰地顯現(xiàn)出沉降的趨勢。軟土地基在工程建設(shè)期間是不可能完全結(jié)束固結(jié)沉降的，尤其是次固結(jié)沉降，所以工程建設(shè)結(jié)束后的沉降形式就是盆腔形的兩邊小、中間大。就像K0+500～K30+500高速公路，其地處平原地區(qū)，整體的路基不高，同時包含的軟土地基有15處，有時候通車會有損壞基層、面板錯位、地基下沉以及斷裂的情況出現(xiàn)。

3 路基差異沉降處理措施

3.1 原地形、地質(zhì)條件下的差異沉降

高速公路具有復(fù)雜的地形和多樣的地質(zhì)結(jié)構(gòu)，填料和地基具有比較大的區(qū)別，在涵洞、通道等結(jié)構(gòu)物處原地基與經(jīng)過處理的結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)之間剛度存在差異性，并且如果地基的承載能力較低，就會更加清晰地顯現(xiàn)出差異。在地基的荷載條件下，地基的承載能力不一樣，就會產(chǎn)生不同的沉降量，最終導(dǎo)致發(fā)生沉降的現(xiàn)象，若不及時處理，路面和路基的構(gòu)造就會因?yàn)槌两惮F(xiàn)象出現(xiàn)損壞，針對該高速公路沿線不同土質(zhì)及涵洞頂部不同填土高度建立路基模型，從而分析沉降在原地質(zhì)、地形條件下的差異，最終結(jié)果見表1。

表1 沉降在原地形、地質(zhì)條件下的涵洞頂部路基的差異

3.2 工程設(shè)計方案的差異沉降

3.2.1 涵洞處地質(zhì)狀況及原工程方案

涵洞的試驗(yàn)段是由沖洪的礫石以及卵石組成的，同時包含的細(xì)粒石包含亞砂土、亞黏土等，該地基具有穩(wěn)定的基礎(chǔ)以及良好的土質(zhì)。在隧道和土場進(jìn)行洞渣材料的取用，這就是土石混填的路基。

要降低路堤竣工后的沉降現(xiàn)象，那么對于這個高速公路的路基就要進(jìn)行大于10 m的高度填充，每填筑4.0～4.5 m進(jìn)行一次強(qiáng)夯處理，路堤的標(biāo)準(zhǔn)是壓實(shí)度大于93%（路面底面150 cm以下）的路面地面。與此同時，為了避免構(gòu)造物由于強(qiáng)夯施工造成的不良因素，應(yīng)該將非強(qiáng)夯區(qū)建立在涵洞以及橋梁的兩邊。非強(qiáng)夯區(qū)長度為（2H+5）m（H為橋臺或涵洞高度），試驗(yàn)段非強(qiáng)夯區(qū)長度為20 m。非強(qiáng)夯區(qū)內(nèi)路基壓實(shí)度不小于96%，對于取消強(qiáng)夯的路段，路基每填筑4 m鋪設(shè)一層土工格柵，如圖1所示。

圖1 原工程的格柵布置示意圖

3.2.2 原工程方案分析

將通道的左側(cè)作為實(shí)例，非強(qiáng)夯區(qū)所處范圍在20 m以內(nèi)，具有比較低的壓實(shí)度，且地基所受的強(qiáng)夯作用小于鄰近區(qū)域，其承載能力比處理過的地基的承載能力低，所以這個區(qū)域具有比較大的沉降量，差異沉降的現(xiàn)象極易發(fā)生。以原工程的方案為基礎(chǔ)，將土工格柵建立在非強(qiáng)夯區(qū)和強(qiáng)夯區(qū)相結(jié)合的地方，這樣對于沉降現(xiàn)象的降低并不能充分發(fā)揮土工格柵的功效[2]。

3.2.3 改進(jìn)方案差異沉降

原工程的方案對于涵洞頂部產(chǎn)生的沉降無法進(jìn)行有效的降低，所以應(yīng)該調(diào)整原方案，將土工格柵的作用充分發(fā)揮出來。通過分析結(jié)果可知，土工格柵在涵洞的兩邊無法充分發(fā)揮作用，就可以取消建立土工格柵從涵洞的頂部一直到強(qiáng)夯區(qū)，意味著在較低的沉降地區(qū)固定格柵的兩端，從而限制非強(qiáng)夯區(qū)的沉降現(xiàn)象；與此同時，可以將鋪設(shè)格柵的距離縮小，涵洞的頂部區(qū)域以0.7 m、1.4 m、2.0 m的距離進(jìn)行格柵鋪設(shè)。鋪設(shè)格柵如圖2所示。

圖2 通道處的格柵處置方案示意圖

通過分析，將整改的格柵方案運(yùn)用于實(shí)踐，相比原地質(zhì)、地形而言，涵洞頂部降低了37%～47%的沉降量，路基高于涵洞頂14 m的區(qū)域也可以明顯地看出沉降的減少，所以加筋的土工格柵對于降低沉降具有很好的作用。

4 控制措施

4.1 強(qiáng)夯法差異沉降的處治

山區(qū)具有較復(fù)雜的地形和較大起伏的地勢，很多因素制約了道路的選線，所以在進(jìn)行山區(qū)高速公路建設(shè)時，路基填充工作的比例就比較高，山區(qū)高速公路出現(xiàn)沉降的關(guān)鍵原因之一就是路基的填充。當(dāng)前，強(qiáng)夯法是最常用于路基高填及差異沉降的方式，具體包括動力置換、動力夯實(shí)以及動力固結(jié)，主要特點(diǎn)就是破壞天然結(jié)構(gòu)從而起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用。

（1）動力固結(jié)。黏性土用強(qiáng)夯法進(jìn)行處理時，在土中有極大的沖擊力，從而有應(yīng)力波產(chǎn)生，將土體本來的結(jié)構(gòu)破壞，使土體局部發(fā)生液化，產(chǎn)生許多裂隙，增加了排水通道，使孔隙水順利流溢出來。將孔隙水的壓力消散后就發(fā)生土體固結(jié)的現(xiàn)象。

（2）動力夯實(shí)。通常用于粗大顆粒以及空隙多的非飽和土。是動應(yīng)力以及沖擊波在土中進(jìn)行傳播瞬間破碎顆粒的一種相對運(yùn)動，其會快速排出土中的氣體，減小壓縮的空隙體積，從而形成密實(shí)的路基結(jié)構(gòu)[4-5]。

4.2 構(gòu)造物處差異沉降的處治

（1）將土工格柵鋪在構(gòu)造物區(qū)域，可以均勻分布以及擴(kuò)散路基的應(yīng)力，從而提高路基抗剪切的力度。

（2）涵洞區(qū)域通過土工格柵處理沉降，可以對土體進(jìn)行加筋，可以更加協(xié)調(diào)地進(jìn)行路基的變形。把涵洞處理沉降的方法作為示例，原來的工程設(shè)計方法可以降低12%～25%的沉降，調(diào)整后就可以降低37%～47%的沉降，具有明顯的效果。

（3）采用土工格柵對涵洞處差異沉降進(jìn)行處理，土工格柵與涵洞的頂部越接近，則越易充分發(fā)揮作用，當(dāng)每層的密度大于4 m時，就有大概10%的沉降降低。在實(shí)際工作中，一般在4 m內(nèi)的密度進(jìn)行鋪設(shè)土工格柵的工作[3]。

5 結(jié)語

綜上所述，地質(zhì)、地貌以及公路的線性對于在山區(qū)建設(shè)高速公路都具有限制性。常見的就是斜、彎以及坡的高架橋及路基的深挖，因此所有路基路面都具有的問題就是穩(wěn)定性。本文主要針對山區(qū)高速公路，通過結(jié)合實(shí)際工程，分析了沉降差異出現(xiàn)的原因，根據(jù)沉降的種類提出適宜的解決方案，將切實(shí)可行的技術(shù)指導(dǎo)以及理論根據(jù)運(yùn)用于建設(shè)山區(qū)高速公路中。