山區(qū)高速公路路基差異沉降特性與控制措施研究

晏輝

摘要 隨著我國(guó)高速公路的發(fā)展，重點(diǎn)發(fā)展地區(qū)由東部轉(zhuǎn)移至中西部多山地區(qū)。山區(qū)高速公路由于地形起伏大、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，路基施工完成后易出現(xiàn)差異性沉降。路基沉降過(guò)大會(huì)造成大量路面病害，影響高速公路服務(wù)年限。以云南某山區(qū)高速公路為調(diào)查對(duì)象，研究路基地基性質(zhì)、路基填筑高度以及填料性質(zhì)對(duì)差異沉降的影響，分析山區(qū)公路路基差異性沉降機(jī)理。結(jié)合工程實(shí)踐，基于差異性沉降分級(jí)，提出強(qiáng)夯法、加鋪土工格柵法以及設(shè)置分隔墻法處理公路路基差異性沉降。

關(guān)鍵詞 公路路基;差異沉降;強(qiáng)夯法;壓實(shí)度

中圖分類(lèi)號(hào) U418.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2022）10-0095-03

0 引言

隨著我國(guó)高速公路規(guī)劃網(wǎng)的逐漸建成，高速公路建設(shè)項(xiàng)目由東部地區(qū)轉(zhuǎn)至中西部多山地區(qū)。山區(qū)高速公路普遍出現(xiàn)高填深挖、半挖半填路基，造成高速公路路基穩(wěn)定性不足[1]。公路路基穩(wěn)定性出現(xiàn)的問(wèn)題主要在于路基施工后產(chǎn)生的差異性沉降，路基的差異性沉降造成公路路面出現(xiàn)大量病害，降低了公路使用壽命[2]。路基內(nèi)部由于土體不均勻變形，造成路基整體出現(xiàn)不均勻沉降，不均勻沉降增加了路面基層和面層的層底拉應(yīng)力[3]。層底拉應(yīng)力的增大，造成高速公路路面出現(xiàn)疲勞破壞、裂縫等結(jié)構(gòu)性病害，嚴(yán)重影響路面結(jié)構(gòu)的耐久性[4]。為了解決山區(qū)高速公路路基差異性沉降問(wèn)題，根據(jù)高填方路基特性，研究高填方路基差異沉降的影響因素，提出高填方路基差異性沉降機(jī)理?；诓町愋猿两档燃?jí)，研究路基差異性沉降控制措施。

1 山區(qū)高速公路路基差異沉降機(jī)理及特性分析

公路路基的沉降主要由兩方面組成，一方面是地基在路基土自重作用下產(chǎn)生的固結(jié)壓縮變形，另一方面是路基結(jié)構(gòu)本身的固結(jié)壓縮變形。公路路基壓實(shí)采用分層壓實(shí)法，在分層壓實(shí)過(guò)程中路基土承受的輪載最大，產(chǎn)生的土體變形最大，而地基土的壓實(shí)效果不明顯。當(dāng)路基分層壓實(shí)完成后，沉降量主要由地基土的固結(jié)壓縮變形造成。對(duì)于山區(qū)高速公路路基差異性沉降而言，高填路基的沉降主要由施工期沉降與施工后沉降組成。施工期沉降是指在施工過(guò)程中由于施工器械的壓實(shí)作用，從施工開(kāi)始至施工結(jié)束產(chǎn)生的沉降。施工后沉降是指在路基施工結(jié)束后，在一段時(shí)間內(nèi)，在土體自重和車(chē)輛荷載的共同作用下導(dǎo)致地基土出現(xiàn)產(chǎn)生沉降的過(guò)程。

1.1 工程概況

云南省某高速公路全長(zhǎng)145.37 km，位于山嶺重丘區(qū)，如表1所示，以30 km為一個(gè)公路段將整條山區(qū)高速公路進(jìn)行劃分。該公路路基采用高填方路基，路基高度為8 m、12 m、15 m以及20 m的超高填方路基，路堤填料分為填土路基、土石混合路堤以及填石路堤。整條公路地基狀況較好，未出現(xiàn)大面積軟弱地基，為硬質(zhì)基巖地基與軟質(zhì)基巖地基，在路基施工時(shí)，需要對(duì)軟質(zhì)基巖地基進(jìn)行處理。

1.2 差異性沉降機(jī)理

引起公路路基差異性沉降的因素有很多，根據(jù)云南省某高速公路概況，路基差異性沉降出現(xiàn)的原因主要有以下幾類(lèi)：

1.2.1 土體自重引起天然地基土沉降

天然地基的自身沉降在自重作用下基本完成，但是在天然地基上進(jìn)行路基修筑時(shí)，會(huì)對(duì)地基整體結(jié)構(gòu)造成影響，路堤填土相當(dāng)于給地基增加了自重，增大了地基自重引起地基土的沉降變形。由于增加路堤土自重所引起的沉降，主要受填土土質(zhì)以及填土高度影響。根據(jù)該高速公路項(xiàng)目可知，項(xiàng)目中存在大量高填筑路基，填土高度大于20 m的路段在1%左右，應(yīng)該對(duì)高填方路基自重引起的差異沉降提高重視。

1.2.2 壓實(shí)度不足引起的差異性沉降

路基壓實(shí)度不足引起的路基沉降是高速公路中最常見(jiàn)的沉降，當(dāng)路基壓實(shí)度不足時(shí)，由于路基兩側(cè)的壓實(shí)度小于路基中央的壓實(shí)度，因此路基沉降的位置靠近于邊坡位置。在環(huán)境因素與車(chē)輛荷載的共同作用下，硬路肩與行車(chē)道之間出現(xiàn)明顯沉降差，造成路基沉陷和裂縫等病害。在雨水沖刷下，水沿著面層裂縫進(jìn)入路面基層結(jié)構(gòu)內(nèi)部，當(dāng)行車(chē)荷載反復(fù)作用下，造成路面結(jié)構(gòu)整體斷裂。

1.2.3 軟土地基引起的沉降差異

山區(qū)高速公路中存在大量的軟土地基，按照規(guī)范要求，進(jìn)行路基施工前需要對(duì)軟弱地基進(jìn)行處理。但是軟弱地基處理屬于隱蔽工程，為了減少工程造價(jià)，有一部分施工方，選擇直接在軟弱土地基上進(jìn)行路基修筑，未對(duì)軟弱土地基進(jìn)行處理。公路施工驗(yàn)收時(shí)，也只檢測(cè)路基頂面與基層層底拉應(yīng)力，在環(huán)境因素與行車(chē)荷載的反復(fù)作用下，公路路基出現(xiàn)路堤沉降、路面斷裂以及橋頭跳車(chē)等病害。該公路段通過(guò)河流處有多處軟弱地基，雖然軟弱地基處填土高度不高，但是需要考慮軟弱土地基引起的路基差異沉降。

1.2.4 工后沉降

工后沉降是高填方路堤不可避免的。由于土體為塑性材料，在土體整體被破壞后，經(jīng)過(guò)二次壓實(shí)，不論壓實(shí)效果有多好，施工完成后也會(huì)產(chǎn)生沉降。針對(duì)路基施工器械分析，壓實(shí)設(shè)備的壓實(shí)功也是有限的。根據(jù)路基工程施工實(shí)踐結(jié)果，高填方路基在經(jīng)過(guò)壓實(shí)施工后，由于環(huán)境因素與行車(chē)荷載的共同作用，會(huì)導(dǎo)致地基出現(xiàn)固結(jié)壓縮變形，出現(xiàn)不均勻沉降的現(xiàn)象。該公路段為典型的山區(qū)高速公路，路基類(lèi)型為高填方路基，路基填筑材料為石塊和土石混合材料，在路基施工過(guò)后，會(huì)出現(xiàn)由于自重變化所引起的地基不均勻沉降，但是對(duì)高填方路基進(jìn)行沉降處治，可有效減少沉降量。

1.2.5 工期限制引起的差異性沉降

路基沉降是一個(gè)持續(xù)的過(guò)程，不可能在施工過(guò)程中達(dá)到完全沉降。路基施工時(shí)間是路基自然沉降的一個(gè)關(guān)鍵因素，如今高速公路的建設(shè)講究施工效率，要求工程在短時(shí)間內(nèi)完工，路基的施工基本上在10～16個(gè)月內(nèi)完工，在施工時(shí)間內(nèi)，高填方路基并沒(méi)有達(dá)到完全沉降，沉降量只達(dá)到了65%左右。路基施工完成后，緊接著是高速公路面層與基層的施工，在進(jìn)行面層與基層施工時(shí)，路基并未完全沉降，這樣會(huì)造成路基施工后出現(xiàn)過(guò)大的差異沉降，對(duì)新鋪筑的面層與基層造成嚴(yán)重破壞。

2 差異沉降的影響因素

影響山區(qū)高速公路路基差異性沉降的因素眾多，對(duì)該公路路基的填筑高度、地基性質(zhì)以及路基填料類(lèi)型進(jìn)行試驗(yàn)研究。根據(jù)該公路路基進(jìn)行有限元軟件建模，設(shè)置不同路堤填筑高度、不同路基材料工況，得到路基填料相同、路基填筑高度相同情況下，不同地基性質(zhì)條件下，路基頂面差異沉降量，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

2.1 地基性質(zhì)對(duì)路基差異性沉降影響

當(dāng)路基填料與路基填筑高度相同時(shí)，軟質(zhì)基巖地基的沉降量要大于硬質(zhì)地基的沉降量，這是因?yàn)橛操|(zhì)基巖地基的彈性模量要大于軟質(zhì)基巖地基，硬質(zhì)基巖地基抵抗變形的能力更強(qiáng)，由于兩種地基性質(zhì)的變形模量相差不大，兩種地基的沉降量差異也較小。

2.2 路基填筑高度對(duì)路基差異性沉降影響

當(dāng)?shù)鼗再|(zhì)與路基填料性質(zhì)相同時(shí)，隨著路基填筑高度的增加，公路路基最終沉降量逐漸增加。且通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)路基填筑高度增加時(shí)，路基沉降量增加速率較快。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定路基填筑高度對(duì)路基沉降量的影響較大。其中當(dāng)路基高度由15 m增加至20 m時(shí)，路基沉降量增加了66.7%，表明當(dāng)路基填筑高度大于15 m時(shí)，沉降量對(duì)于路基填筑高度的變化較為敏感。

2.3 路基填料類(lèi)型對(duì)路基差異性沉降影響

當(dāng)?shù)鼗再|(zhì)與路基填筑高度保持不變時(shí)，根據(jù)三種不同類(lèi)型的路基填料沉降量結(jié)果，路基類(lèi)型的沉降量排列順序?yàn)樘钍坊?gt;土石混填路基>填土路基，這是由于填土路基的變形模量要小于填石路堤，但是對(duì)于路基填料選擇來(lái)說(shuō)，填土路基雖然沉降最小，造價(jià)最高，考慮到工程經(jīng)濟(jì)性，通常選擇土石混填材料作為路基填料。

3 路基差異性沉降處理措施

3.1 高填方路基差異沉降分級(jí)

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，高填方路基沉降差異分級(jí)如表3所示。由表3差異沉降分級(jí)表結(jié)合該公路路基差異沉降狀況，確定該公路差異沉降分級(jí)為“中”級(jí)，需要對(duì)路基進(jìn)行差異沉降處理。

3.2 強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法是山區(qū)高速公路路基差異沉降最常用的方法，該方法夯錘選擇重量為80～380 kN，在進(jìn)行強(qiáng)夯施工時(shí)，將夯錘落距升高至6～30 m，使夯錘垂直落下對(duì)地基土進(jìn)行沖擊。經(jīng)過(guò)多次的強(qiáng)夯，能夠使路基土結(jié)構(gòu)增加固結(jié)壓縮變形，達(dá)到壓縮土體的目的，增加地基土的變形模量，提升原始地基強(qiáng)度。在夯錘垂直落下夯擊路基的施工施工過(guò)程中，具有兩種固結(jié)方式。

3.2.1 動(dòng)力固結(jié)

動(dòng)力固結(jié)的方式適用于黏性土地基，在使用強(qiáng)夯法對(duì)黏性土地基進(jìn)行施工時(shí)，夯錘垂直落入土中，在夯錘入土瞬間在地基土中產(chǎn)生巨大的沖擊力，沖擊力出現(xiàn)的同時(shí)伴隨著巨大的應(yīng)力波，產(chǎn)生的應(yīng)力波將原有的地基結(jié)構(gòu)破壞，造成土體壓縮變形。在巨大的應(yīng)力波作用下，局部的地基土發(fā)生液化現(xiàn)象，土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生大量裂縫，土體裂縫的出現(xiàn)增加了土體結(jié)構(gòu)的排水通道，能夠使孔隙水順利流出，將孔隙水的壓力消散后發(fā)生土體固結(jié)現(xiàn)象。

3.2.2 動(dòng)力夯實(shí)

動(dòng)力夯實(shí)的方式適用于大孔隙以及大粒徑的非飽和土。地基土結(jié)構(gòu)內(nèi)存在較多孔隙，在孔隙中存在大量氣體。動(dòng)力夯實(shí)作用下，產(chǎn)生的動(dòng)應(yīng)力以及沖擊波會(huì)將地基土孔隙中氣體瞬間排出，壓縮地基土體體積，從而達(dá)到地基密實(shí)。強(qiáng)夯法能夠?qū)⒃械鼗量紫吨械臍怏w排出，在這種作用下能夠使地基土頂面變形模量變大，土質(zhì)層承載力增加。

3.3 土工格柵法

由于山區(qū)高速公路地形復(fù)雜起伏較大，在使用強(qiáng)夯法施工時(shí)夯錘可能會(huì)導(dǎo)致高填方路基整體結(jié)構(gòu)變化，影響地基的穩(wěn)定性。采用土工格柵法能夠完成新舊路基結(jié)合處沉降差異控制，土工格柵相當(dāng)于增加了土體之間的內(nèi)摩擦力，提高路基的強(qiáng)度，能夠提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，減少反射裂縫的發(fā)展。采用土工格柵法進(jìn)行路基差異沉降處置時(shí)，具有施工簡(jiǎn)單、工期短、質(zhì)量高的特點(diǎn)。土工格柵施工時(shí)要注意布設(shè)位置的合理性以及布設(shè)密度，土工格柵法能夠?qū)崿F(xiàn)土體應(yīng)力的分散，提高路基的抗剪能力，增大結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在高填方路基加寬施工過(guò)程中，路基拼接處應(yīng)力集中現(xiàn)象最為嚴(yán)重，車(chē)輛荷載重復(fù)作用造成新舊路基拼接處出現(xiàn)差異沉降，路面基層層底拉應(yīng)力急劇增大，出現(xiàn)明顯的縱向裂縫，降低公路服務(wù)年限。土工格柵可以設(shè)置在層底拉應(yīng)力最大的位置，如路基拼接處、路面基層，能夠有效減小路基差異沉降及基層層底拉應(yīng)力，避免縱向裂縫結(jié)構(gòu)性病害出現(xiàn)。

3.4 設(shè)置分隔墻

在高填方路基改擴(kuò)建工程中，設(shè)置分隔墻法能夠有效減少新舊公路路基處的差異沉降。設(shè)置分隔墻法主要有以下特點(diǎn)：

（1）新舊路基處或地基承載力不能滿(mǎn)足要求處設(shè)置分隔墻，能夠有效控制舊路基中心的豎向沉降，防治舊路基與擴(kuò)寬路基出現(xiàn)豎向差異性沉降，出現(xiàn)一高一低的現(xiàn)象。

（2）設(shè)置分隔墻能夠有效減小新舊路基之間的沉降差，縮小沉降差值。結(jié)合工程實(shí)踐，對(duì)于工后沉降原因引起的高填方路基差異沉降，分隔墻的設(shè)置能夠使道路中線(xiàn)11.5 m半徑內(nèi)差異沉降減少40%左右。

（3）設(shè)置分隔墻能夠控制道路橫坡的變化。結(jié)合工程實(shí)踐，高填方路基加寬過(guò)程中，會(huì)影響原有道路橫坡坡度，使道路橫坡坡度增加，降低行車(chē)安全性。設(shè)置分隔墻能夠明顯降低道路橫坡變化幅度。

根據(jù)該公路差異性沉降等級(jí)為“中”級(jí)，且地基性質(zhì)為硬質(zhì)基巖地基和軟質(zhì)基巖地基無(wú)軟弱土地基，地基變形模量較大，由此選擇強(qiáng)夯法為該公路地基處置方式。

4 結(jié)論

綜上所述，根據(jù)云南省某山區(qū)高速公路路基差異沉降調(diào)查結(jié)果，使用有限元軟件建模，研究地基性質(zhì)、路基填筑高度以及路基填料性質(zhì)對(duì)路基差異沉降的影響，提出強(qiáng)夯法、土工格柵法、設(shè)置分隔墻法處置高填方路基差異沉降的措施，結(jié)合項(xiàng)目情況確定強(qiáng)夯法為該公路路基處置方法。

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