高速公路路基沉降及施工控制技術(shù)

劉莉

（鄭州路橋建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，鄭州 450000）

1 引言

路基施工過(guò)程中產(chǎn)生的沉降是影響公路建設(shè)質(zhì)量的關(guān)鍵因素，沉降過(guò)大極易造成路橋過(guò)渡段出現(xiàn)較大臺(tái)階、填挖處不均勻沉降以及橋頭跳車(chē)現(xiàn)象。為此，施工單位在路基修筑過(guò)程中需要充分把控沉降量，對(duì)導(dǎo)致沉降的原因進(jìn)行深入分析，并依據(jù)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采取合理的措施防治，為后續(xù)工序奠定基礎(chǔ)，避免通車(chē)時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的路面病害。

2 影響路基沉降的因素

2.1 路基干濕狀態(tài)

路基干濕狀態(tài)極易受到天氣、季節(jié)的影響，路基填料的含水量隨地表水和地下水產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化，造成路基土層的有效應(yīng)力重組，繼而導(dǎo)致路基沉降。路基填料含水量過(guò)高是造成路基不均勻沉降的重要因素，當(dāng)含水量超過(guò)一定范圍后，路基填筑材料的穩(wěn)定性、強(qiáng)度都會(huì)急劇衰減，從而削弱路基結(jié)構(gòu)的承載力和抗剪性能，導(dǎo)致路基沉降量過(guò)大，甚至路面斷裂、塌陷。

2.2 路堤填料

路基施工中采用的填料通常為路線附近的可用材料或者沿線挖方土體，因此，若不同路段的填料種類(lèi)及配合比等物理力學(xué)性質(zhì)差異性較大，會(huì)產(chǎn)生不均勻沉降。如果現(xiàn)場(chǎng)的路基填料的級(jí)配較差，且分層填筑厚度較大，則極易造成填料顆粒難以達(dá)到緊密狀態(tài)，在后續(xù)動(dòng)靜荷載循環(huán)作用下，就會(huì)發(fā)生路基不均勻沉降；除此之外，填料中存在軟土、膨脹性土?xí)r，由于局部滲透系數(shù)較小，路基會(huì)出現(xiàn)局部排水受阻，繼而出現(xiàn)路基局部沉陷等病害[1]。

2.3 壓實(shí)度

若路基填筑材料的壓實(shí)度沒(méi)有達(dá)到技術(shù)要求，存在欠壓實(shí)情況，則在外界附加荷載作用下，填筑材料內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)就會(huì)急劇改變，造成路基不均勻沉降及路面破壞。

2.4 側(cè)向變形

若路基填筑過(guò)程中缺少側(cè)向約束或者邊界約束不足，會(huì)使路基內(nèi)部應(yīng)力分布差異性過(guò)大，導(dǎo)致路基邊坡兩側(cè)的應(yīng)力消散極快，出現(xiàn)嚴(yán)重的剪切破壞變形，繼而導(dǎo)致路基不均勻沉降。

3 沉降監(jiān)測(cè)內(nèi)容及方法

路基沉降監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括：路基填筑階段坡腳地表水平位移、地表沉降及隆起；路基填筑基底沉降速率、沉降量；路基表面沉降量。其中，對(duì)于路基表面的沉降監(jiān)測(cè)，主要采用水準(zhǔn)儀和沉降板進(jìn)行；對(duì)路基頂部的沉降監(jiān)測(cè)，可用于控制路基整體性能，為后續(xù)施工時(shí)間及沉降趨勢(shì)提供規(guī)劃和判斷依據(jù)，采用設(shè)備為水準(zhǔn)儀和沉降樁；地表沉降監(jiān)測(cè)的對(duì)象是路基外側(cè)土體，監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要為地表垂直位移、水平位移，采用設(shè)備為位移觀測(cè)樁和全站儀，對(duì)地表水平、垂直位移的監(jiān)測(cè)有助于控制施工沉降。沉降監(jiān)測(cè)階段，技術(shù)人員需要保證現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定數(shù)據(jù)的可靠性與準(zhǔn)確性，當(dāng)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過(guò)一定上限時(shí)，要及時(shí)分析沉降超標(biāo)原因，進(jìn)行上報(bào)，并采取針對(duì)性解決措施[2]。

4 公路路基沉降施工控制分析

4.1 工程概況

河南省內(nèi)某高速公路設(shè)計(jì)路線區(qū)域具備4 種地貌結(jié)構(gòu)，即古河道高地、條形砂壟、洼地、黃河泛流平原，地層結(jié)構(gòu)為第四系沖擊細(xì)砂層，上部土層為低液限性黏土，工程性質(zhì)較差，成分主要為軟土、松散細(xì)砂、河道淤泥。公路設(shè)計(jì)沿線地形起伏程度較小、整體較為平整開(kāi)闊，地下水水位較高，沿線地下水較為豐富，因此，該路段高速公路路基極易產(chǎn)生沉降變形。高速公路項(xiàng)目路基施工計(jì)劃周期為36 個(gè)月，設(shè)計(jì)路線全長(zhǎng)達(dá)120 km，雙向四車(chē)道，設(shè)計(jì)等級(jí)為公路I 級(jí)，路基設(shè)計(jì)寬度為28 m，設(shè)計(jì)車(chē)速為120 km/m。

本文將K15+660~K16+760 段作為施工試驗(yàn)路段，該試驗(yàn)段全長(zhǎng)1 100 m，填土高8~10 m，路基兩側(cè)邊坡以1∶1.5 的坡度放坡處理，填料為現(xiàn)場(chǎng)黏土；現(xiàn)場(chǎng)路基填筑設(shè)備為平地機(jī)1 臺(tái)、挖掘機(jī)2 臺(tái)、振動(dòng)壓路機(jī)1 臺(tái)、運(yùn)輸車(chē)輛若干、羊足碾1 臺(tái)。試驗(yàn)段不良地質(zhì)地形條件極易引發(fā)較大路基沉降變形，因此，開(kāi)展沉降監(jiān)測(cè)極其必要。

4.2 觀測(cè)斷面方案

4.2.1 斷面布置

沉降觀測(cè)工作主要為路基總沉降觀測(cè)，項(xiàng)目針對(duì)試驗(yàn)段橋涵臺(tái)背、軟土地基、經(jīng)過(guò)地基處理路段進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)斷面布置。其布置原則為：沉降觀測(cè)點(diǎn)需要布置在大、中型橋梁結(jié)構(gòu)處，一般布置在橋頭引道，距離搭板2 m 處；涵洞也需要設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)，一般設(shè)置在涵洞背部，其中，沉降板的布置需要考慮涵洞與線路的交角，在地質(zhì)情況相差不大且涵洞之間距離較近時(shí)，可以統(tǒng)一布置沉降觀測(cè)點(diǎn)；在涵洞基礎(chǔ)處理位置、一般路段、橋頭路基處理位置、橋頭30 m 至其余處理位置過(guò)渡接頭處，也需要布置沉降觀測(cè)點(diǎn)，其布置位置為離開(kāi)接頭15 m以外，以便對(duì)不同處理方案進(jìn)行沉降差異性分析。在一些測(cè)點(diǎn)密度較大、地質(zhì)情況類(lèi)似的位置，則可以統(tǒng)一布置測(cè)點(diǎn)；在一些工程地質(zhì)分界線十分明顯的區(qū)域，需要在分界線兩側(cè)15 m位置處分別布置沉降觀測(cè)點(diǎn)[3]。

4.2.2 試驗(yàn)斷面沉降分析

選取K15+700 斷面開(kāi)展沉降分析，該斷面土質(zhì)主要為低液限性黏土，層厚3 m，沉降觀測(cè)時(shí)間為2020 年2 月~2021 年6 月，至結(jié)束時(shí)間點(diǎn)，沉降板測(cè)定填土高度為10 m，沉降量、填土高度與時(shí)間之間的關(guān)系及沉降速率、填土速率和時(shí)間之間的關(guān)系如圖1 所示。由沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，路基填土前兩個(gè)月的沉降速率較大，此時(shí)主要是剛開(kāi)始路基填筑施工，地基在荷載作用下產(chǎn)生沉降較大，也不排除斷面沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)偏差；隨著填筑時(shí)間的延長(zhǎng)，沉降速率趨向于穩(wěn)定，填筑施工完成第6月時(shí)，填土速率控制較為穩(wěn)定，此時(shí)沉降速率、沉降量有了較大的波動(dòng)，主要?dú)w因于路基填筑過(guò)程中遇見(jiàn)降雨季節(jié)，且填料自身有較弱的膨脹性，導(dǎo)致路基出現(xiàn)沉降擴(kuò)增的態(tài)勢(shì)。

圖1 沉降、填土和時(shí)間關(guān)系圖

在路基填筑階段，沉降速率需要控制在10 mm/d，一旦沉降速率超過(guò)該數(shù)值，需要立即停止路基填筑工作。試驗(yàn)段斷面附近的填筑需要緩慢進(jìn)行，避免路基出現(xiàn)裂縫及失穩(wěn)情況；當(dāng)路基填筑施工完成后連續(xù)2 個(gè)月的路基沉降速率小于5 mm/月時(shí)，可以判定路基穩(wěn)定性程度較高，此時(shí)路基材料和地基都已經(jīng)固結(jié)完成。

4.3 樁網(wǎng)復(fù)合地基施工

4.3.1 施工方案

針對(duì)試驗(yàn)段較大的路基沉降量及沉降速率，本項(xiàng)目考慮在全線黏土層較厚區(qū)域填方段采用樁網(wǎng)復(fù)合地基技術(shù)進(jìn)行地基處理，并結(jié)合使用粉噴樁結(jié)構(gòu)，在粉噴樁樁頂加鋪碎石層和土工格柵。其中，路基底部加鋪的土工格柵、碎石墊層的厚度為0.5 m，寬度為43 m，粉噴樁布置形式為等邊三角形，邊長(zhǎng)為1.5 m，樁徑為0.5 m，樁長(zhǎng)10 m。

4.3.2 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備

樁網(wǎng)復(fù)合地基處理中采用的鉆機(jī)具備反轉(zhuǎn)勻速提升、正向勻速鉆進(jìn)特性，鉆機(jī)鉆頭直徑為0.5 m；分體發(fā)送器需要根據(jù)鉆機(jī)的提升速度、轉(zhuǎn)速、鉆頭類(lèi)型將材料傳遞至地下；空氣壓縮機(jī)的選擇需要依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地基處理加固深度及工程地質(zhì)條件；機(jī)械設(shè)備攪拌灰土混合料時(shí)，需要選擇合適的攪拌鉆頭，且鉆頭結(jié)構(gòu)不能對(duì)鉆機(jī)提升反轉(zhuǎn)造成影響；現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量裝置則主要用于粉體（生石灰粉、干NCS 固化劑）輸入量均勻性、連續(xù)性的監(jiān)測(cè)，粉體輸入量的計(jì)算需要根據(jù)噴入水泥量進(jìn)行。

4.3.3 施工工藝

首先，需要對(duì)路基施工場(chǎng)地進(jìn)行平整處理，按照設(shè)計(jì)高程進(jìn)行場(chǎng)地推平處理，為后續(xù)鋪網(wǎng)及打樁提供必要基礎(chǔ)；樁孔定位需要在實(shí)地樁位處標(biāo)記；樁機(jī)就位，鉆頭調(diào)平對(duì)中，對(duì)加粉（生石灰粉、干NCS 固化劑）、鉆徑進(jìn)行檢查記錄；粉噴樁施工，啟動(dòng)空氣壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)送風(fēng)效果，控制鉆頭設(shè)計(jì)深度時(shí)采取噴粉處理，需要鉆機(jī)一邊提升一邊開(kāi)展攪拌工作；樁體施工結(jié)束之后，需要進(jìn)行土工格柵的鋪設(shè)，第二層格網(wǎng)需要在首層填土填筑壓實(shí)后進(jìn)行；路基上層填筑采取分層分段原則進(jìn)行。施工過(guò)程中需要保持鉆頭在設(shè)計(jì)深度處滯留一段時(shí)間，以確保粉料能夠達(dá)到樁底。打樁階段，需要現(xiàn)場(chǎng)對(duì)樁體質(zhì)量進(jìn)行逐根檢查，對(duì)于質(zhì)量缺陷明顯的樁體結(jié)構(gòu)，需要補(bǔ)樁處理。

4.3.4 施工效果分析

經(jīng)過(guò)樁網(wǎng)復(fù)合地基處理后，對(duì)全線布置的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，填筑期地表測(cè)點(diǎn)沉降量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，沉降速率變化見(jiàn)表2。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，全線沉降點(diǎn)測(cè)定的沉降量數(shù)據(jù)偏??；4~8 月前80%以上的測(cè)點(diǎn)沉降量小于10 cm；約14%的測(cè)點(diǎn)沉降大于10 cm；約12%的測(cè)點(diǎn)的沉降量在10~20 cm。表2 數(shù)據(jù)表明，5 月份沉降在3~5 mm/月的測(cè)點(diǎn)數(shù)量隨著時(shí)間的不斷延長(zhǎng)而增加，表明經(jīng)過(guò)地基處理后，路基沉降逐漸趨于穩(wěn)定，且符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

表1 路基填筑地表沉降測(cè)點(diǎn)分布

表2 沉降速率變化

5 結(jié)語(yǔ)

公路路基沉降需要得以加強(qiáng)控制，尤其需要對(duì)路基填筑階段的沉降影響因素進(jìn)行有效分析，繼而針對(duì)性地開(kāi)展措施處置。本文采取粉噴樁、土工格柵加碎石墊層的地基處理形式，能夠顯著控制路基沉降，在填筑階段5 月份前期就能達(dá)到沉降穩(wěn)定狀態(tài)（小于5 mm/月），具備良好的應(yīng)用效果，能夠?yàn)轭?lèi)似路基施工提供參考。