胡其志，黃希程，周 紅，湯立志

(1.湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430068;2.湖北省高速公路實(shí)業(yè)開發(fā)有限公司，湖北武漢 430051;3.湖北省華中農(nóng)業(yè)高新投資有限公司，湖北 武漢 430061)

0 引言

隨著高速公路改擴(kuò)建工程規(guī)模的擴(kuò)大，面臨的問題也會越來越多，其中高速公路加寬時新老路基差異沉降就是面臨最重要的問題之一［1，2］。通過有限元軟件對老路基加寬后新老路基之間差異沉降進(jìn)行分析，數(shù)值模擬各種影響因素對新老路基差異產(chǎn)生的不同影響［3］，對路基沉降機(jī)理進(jìn)行分析［4，5］，合理確定了加寬路基差異沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)［6］。新老路基差異沉降是引起路面和路基病害的主要因素，其不僅影響了交通道路的通行能力和服務(wù)水平，而且也降低了交通車輛行駛的安全性和舒適性，嚴(yán)重阻礙了高速公路的快速、健康發(fā)展及其發(fā)揮的社會效益。有效保證新老路基結(jié)合部科學(xué)連接是確保半幅填方施工質(zhì)量的重要內(nèi)容。因此，高速公路改擴(kuò)建工程中，半幅填方路基引起的新老路基差異沉降進(jìn)行研究對半幅填方施工具有重要的指導(dǎo)意義。

論文結(jié)合湖北省武鄂高速和左段改擴(kuò)建工程，利用太沙基一維固結(jié)理論對半幅填方路基的差異沉降機(jī)理進(jìn)行分析，通過現(xiàn)場對關(guān)鍵斷面的沉降監(jiān)測并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，分別對不同填方方案進(jìn)行對比研究，獲得最佳的半幅填方技術(shù)方案，以對同類工程施工提供施工技術(shù)指導(dǎo)。

1 填方路段沉降機(jī)理分析

在老路加寬擴(kuò)建時半幅填方路基施工，由于填方?jīng)]有經(jīng)過人工或機(jī)械耗功的方法進(jìn)行土的壓實(shí)和排水固結(jié)，新建路基固結(jié)沉降變化很大，導(dǎo)致新老路基的變形量差異，使加寬路基的豎向產(chǎn)生不均勻沉降，水平位移量增加。為了分析半幅填方路基沉降對加寬部分路基的變形影響，對填方地基總沉降量進(jìn)行分析。填方地基總沉降利用e－p 曲線法計(jì)算［7］，其公式:

式中:e1i為地基中第i 層分層中心，自重應(yīng)力作用下壓縮至穩(wěn)定時的孔隙比;e2i為地基中第i 層分層中心，自重應(yīng)力和附加應(yīng)力共同作用下壓縮至穩(wěn)定時的孔隙比;hi為地基中第i 層的原始厚度，每層厚度按hi小于或等于0.4b 計(jì)算，b 為基礎(chǔ)寬度。

分析填方路基固結(jié)對加寬部分路基的變形影響，對地基固結(jié)度分析采用太沙基一維固結(jié)理論。

K.Terzaghi 一維固結(jié)理論用于計(jì)算飽和土層滲透固結(jié)過程中某一時間的變形。太沙基提出有效應(yīng)力理論，定義了空隙壓力與有效應(yīng)力之和為總應(yīng)力，很好解釋了土體固結(jié)過程。土體內(nèi)某點(diǎn)總應(yīng)力的變化主要是孔隙水壓發(fā)生改變，由于孔隙水壓的減小而引起有效應(yīng)力的增大。因此，土層固結(jié)的實(shí)質(zhì)是孔隙水壓力的降低促使有效應(yīng)力的增長［8］。土體固結(jié)的產(chǎn)生主要有兩種情況:①荷載增加，總應(yīng)力變化，空隙水壓的增加與透水邊界的不變兩者之間形成孔壓差;②荷載不變，總應(yīng)力不變，改變邊界上孔壓值［9］。

K.Terzaghi 一維固結(jié)理論是計(jì)算路基沉降變形重要方法之一，也可以計(jì)算各階段路基的沉降變形以及最終沉降量。由規(guī)范［10］中可知計(jì)算公式為:

式中:SN為最終沉降量;St為某階段沉降量;Ut為固結(jié)度;Nt為時間因素;Cv為土的豎向固結(jié)系數(shù);e1為初始孔隙比;H 為土層計(jì)算厚度;K 為滲透系數(shù);a為壓縮系數(shù);rw為水的比重。

由式(2)可知，固結(jié)度隨著時間推移逐漸增加，土層變形量也隨之增大即路基沉降量的增加。土體在荷載作用下空隙水壓力減小產(chǎn)生固結(jié)度，固結(jié)度的增加使得地基土的孔隙率減少，有效應(yīng)力的增加，最后導(dǎo)致土層產(chǎn)生壓縮變形［11］。

2 工程案例

為了合理確定老路基加寬時新老路基差異沉降不同影響因素，現(xiàn)結(jié)合武鄂高速公路和左段改擴(kuò)建工程進(jìn)行現(xiàn)場沉降監(jiān)測。武鄂高速(S7)位于湖北省境內(nèi)，地質(zhì)條件為淤泥質(zhì)亞粘土、粘性土、粉砂巖等。原路基在改造時在長期路堤荷載作用下，路基土經(jīng)過長時間的壓實(shí)和固結(jié)排水，其固結(jié)沉降基本穩(wěn)定，新加寬路基部分產(chǎn)生附加應(yīng)力使老路基固結(jié)沉降產(chǎn)生變化。

地表型沉降計(jì)即沉降板用于監(jiān)測地表沉降量，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析不同影響因素對半幅填方路基差異沉降變化規(guī)律，調(diào)整路基填土速率及差異沉降變化趨勢，給半幅填方施工提供最佳的選擇方案。地表水平位移樁即邊樁用于監(jiān)測地表水平位移幅度及地表隆起量，保證路堤的穩(wěn)定和安全。

2.1 沉降監(jiān)測

新路肩邊緣與老路堤中心線間的沉降差稱為新老路基差異沉降，也可以稱為最大差異沉降［8］。論文研究的半幅填方路基差異沉降主要是新老路基最大差異沉降量。新老路基差異沉降監(jiān)測實(shí)施步驟和計(jì)算方法與文獻(xiàn)［12，13］類似。結(jié)合武鄂高速公路和左段實(shí)際工況，選取K17+150 ～K17+650 為典型斷面做半幅填方路基差異沉降監(jiān)測研究，沉降板布設(shè)在試驗(yàn)段中心地面和路肩處，邊樁布置在路基坡腳外1 ～2 m 和10 ～12 m 處，斷面監(jiān)測點(diǎn)具體布置如圖1 所示。

圖1 沉降板及邊樁的平面布置圖

2.2 水平位移監(jiān)測

邊樁位移觀測的方法有多種，目前應(yīng)用比較多的是極坐標(biāo)法和前方交會法，結(jié)合實(shí)際工況，論文采用極坐標(biāo)法。極坐標(biāo)法是基于全站儀進(jìn)行測量邊樁坐標(biāo)的方法，極坐標(biāo)法示意如圖2 所示。

圖2 極坐標(biāo)法示意圖

圖中A－邊樁，M－基點(diǎn)，N－后視點(diǎn)，I、J－后視方位檢查點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際工況，以首次測得邊樁A的坐標(biāo)數(shù)據(jù)為依據(jù)，計(jì)算邊樁的位移值和坐標(biāo)差［14］:

式中:x1、y1為邊樁A 坐標(biāo)初始值，xi、yi為以后邊樁A 的即時觀測坐值。以后不同時間段的觀測只需要按式(6)依次求出此次坐標(biāo)與初始坐標(biāo)值之差，即可求出邊樁在垂直邊坡軸線方向和軸線方向上位移dx、dy。

3 差異沉降影響因素分析

受地質(zhì)地貌和和人為因素影響，路基加寬方案、路基填土高度、路基填料等因素都會對新老路基差異沉降產(chǎn)生影響。通過選取典型斷面做沉降觀測數(shù)據(jù)分析，分別研究了半幅填方路基的加寬方式、加寬寬度、填土高度和填料重度四個方面對新老路基差異沉降的影響，尋找其內(nèi)在變化規(guī)律，為路基施工提供合理依據(jù)［15］。

3.1 路基填料重度對差異沉降的影響

新建路基填料的多樣性決定了路基填料重度的差異性，不同重度填料容易引起新建路基的附加應(yīng)力差異變化，對新老路基差異沉降影響較大。為了說明不同路基填料重度對新老路基差異沉降影響不同，選取了3 種不同重度的路基填料鋪設(shè)至典型觀測斷面，用來研究泡沫輕質(zhì)土路基、粉煤灰土路基、一般填土路基對新老路基差異影響，且3 種填料重度分別為:4、10、17 kN/m3。不同填料重度時加寬路基的豎向沉降曲線和頂面最大差異沉降分布如圖3、圖4 所示，水平位移曲線分布如圖5 所示。

通過圖3、圖4 可知，加寬路基填料重度的逐漸增加，加寬路基豎向沉降量也隨之增大，加寬路基最大差異沉降為線性變化。當(dāng)半幅填方路基填料的重度r=4 kN/m3，新老路基最大差異沉降為1.1 cm;r=10 kN/m3，最大差異沉降為2.3 cm;r=17 kN/m3，最大差異沉降為3.7 cm，則前兩者的差異沉降增加了1.2 cm，后兩者的差異沉降增加了1.4 cm，后兩者的沉降明顯比前兩種沉降要大。很明顯選用重度小的路基填料，能降低新建路基對老路基的影響。

圖3 不同填料重度時加寬路基豎向沉降曲線

圖4 不同填料重度時加寬路基頂面最大差異沉降

圖5 不同填料重度時加寬路基水平位移曲線

通過圖5 可知，半幅填方路基填料重度的逐漸增加，其地基表層的水平位移也隨之增大，水平移動的規(guī)律為老路基部分水平位移向內(nèi)，新建路基水平位移向外。半幅填方填料的重度由1 kN/m3增加到17 kN/m3時，老路基向內(nèi)水平位移值由1.26 cm 到1.69 cm，新路基向外水平位移值由0.55 cm 到0.85 cm，如果水平位移過大容易導(dǎo)致新老路基結(jié)合部出現(xiàn)病害，即半幅填方路基結(jié)合部出現(xiàn)病害，將影響整體公路的穩(wěn)定性。

通過上述的分析可以知道，采用泡沫輕質(zhì)路堤填料比一般填土路堤填料對新路堤的自重荷載要小，對路基表面工后沉降也要小，同時也能減少新路基對老路基的附加應(yīng)力影響。因此，實(shí)際的工程應(yīng)用中，在滿足技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的前提下，可以選用重度較低的填料用于新建路基材料。

3.2 加寬方式對差異沉降的影響

一般情況下，高速公路加寬方式分為兩種，即單側(cè)加寬和雙側(cè)加寬。因加寬方式的不同，產(chǎn)生的附加應(yīng)力不同，對地基沉降變化不同，對地基的差異沉降變化也不相同。為了分析不同加寬方式對半幅路基差異沉降的規(guī)律，結(jié)合工程實(shí)例，典型斷面布置觀測點(diǎn)，取路基高度為4 m，邊坡為1 ∶1.5，路基填料為一般填土，用沉降板監(jiān)測地表沉降量，用邊樁監(jiān)測地表水平位移。

3.2.1 單側(cè)加寬

單側(cè)加寬［16］的斷面監(jiān)測點(diǎn)的布置如圖1 所示，單側(cè)加寬取寬度為4，8，12，16 m。通過定期的監(jiān)測，不同的加寬寬度時路基的豎向沉降曲線和頂面最大差異沉降變化分布如圖6、圖7 所示，水平位移曲線分布如圖8 所示。

圖6 單側(cè)加寬不同寬度時路基豎向沉降曲線

圖7 單側(cè)加寬不同寬度時路基頂面最大差異沉降變化

圖8 單側(cè)加寬不同寬度時路基水平位移曲線

由圖6、圖7 可知，隨著路基寬度的增加，舊路中心沉降逐步增大，路基的豎向沉降也漸漸變大，最大差異沉降變化曲線呈下凹形。當(dāng)路基加寬寬度分別為4，8，12，16 m 時，舊路基中心附加沉降分別由0 增加到1.12，1.43，1.61，1，56 cm，以每增加4 m為標(biāo)準(zhǔn)，增加的幅度為27%，44%，39%，沉降趨勢隨寬度的變化是逐漸增大再慢慢減小。隨著拓寬寬度的增加，新老路基差異沉降也逐漸增加。當(dāng)路基加寬4 m，加寬路基差異沉降為5.93 cm，加寬寬度4 m 增加8 m 時，最大差異沉降增加到11.65 cm，沉降值增加了5.93 cm;當(dāng)加寬寬度由8 m 增加到12 m 時，兩者的最大豎向沉降值增加了4.16 cm;當(dāng)加寬寬度由12 m 增加到16 m 時，兩者的最大豎向沉降值增加了4.04 cm。因此，加寬路基最大豎向沉降增加量是隨著路基加寬寬度的增加而逐漸減小。

由圖8 可知，地表水平位移也隨著寬度的增加逐步變大。當(dāng)加寬寬度4 m 增加到16 m，舊路基坡腳的水平位移是逐漸向內(nèi)移動，且位移量0.69 cm增加到1.14 cm，新路基坡腳的水平位移是逐步向外側(cè)移動，并且位移量0.14 cm 增加到0.78 cm。由此可以知道單側(cè)路基加寬時，水平位移量較大，要嚴(yán)格控制新建路基的填土速率。

如果定義4 m 為增加一個車道寬數(shù)，則8、12、16 m 為增加2 個、3 個、4 個車道。從上述研究可以看出，當(dāng)寬度增加為8 m 時，路基差異沉降較小，水平位移最為合理，因此公路加寬時，選擇加寬8 m 即2 個車道最為合適。

3.2.2 雙側(cè)加寬

雙側(cè)加寬［17］的監(jiān)測點(diǎn)布置與單側(cè)加寬類似，雙側(cè)加寬取寬度為4，8，12，16 m，由于路基結(jié)構(gòu)對稱性，分配到路基兩側(cè)時，每側(cè)的加寬寬度為2，4，6，8 m。不同的加寬寬度時路基豎向沉降曲線分布和路基頂面最大差異沉降如圖9、圖10 所示，水平位移曲線分布如圖11 所示。

由圖9 ～圖11 可知，雙側(cè)加寬填方路基的豎向沉降曲線、最大差異沉降、地表水平位移規(guī)律與單側(cè)加寬基本相同。比較單側(cè)加寬不同的是，在加寬寬度相同時，雙側(cè)加寬的新老路基最大差異沉降較小。這是因?yàn)殡p側(cè)加寬加載時，產(chǎn)生的附加應(yīng)力均勻的分配到舊路基兩側(cè)，形成了整體的沉降，從而減小了新老路基差異沉降。

圖9 雙側(cè)加寬不同寬度時加寬路基豎向沉降曲線

圖10 雙側(cè)加寬不同寬度時路基頂面最大差異沉降變化

圖11 雙側(cè)加寬不同寬度時加寬路基水平位移曲線

對比兩種加寬方式，兩者各有利弊，在寬度增加相同的情況下，雙側(cè)加寬更有利于路面結(jié)構(gòu)受力。但是，一般情況下雙側(cè)加寬比單側(cè)加寬對道路運(yùn)營的干擾比較大、增加施工難度和工程造價。

3.3 路堤高度對差異沉降的影響

不同路段的路堤高度不同，路堤自身重量對地基的影響也有差異，路堤越高，不均勻沉降越嚴(yán)重。為了分析不同路基高度對半幅路基差異沉降的影響，選取路基加寬寬度為8 m 的路段作為監(jiān)測斷面寬度，邊坡為1 ∶1.5，路基填料為一般填土，分階段監(jiān)測路基高度分別為2、4、6、8 m 時加寬路基豎向沉降、路基頂面最大差異沉降位移曲線圖如圖12 ～圖14 所示，斷面的監(jiān)測點(diǎn)布置如圖1 所示。

由圖12、圖13 可知，新建路基填土越高，加寬路基豎向沉降變大，新老路基差異沉降越大。當(dāng)填土高度為2、4、6、8 m 時，新老路基最大差異沉降為7.1、12.9、20.1、23.2 cm，兩兩差異沉降增加量為5.8、7.2、3.1 cm?？梢灾溃S著路基填土高度的增加，路基最大差異沉降曲線接近s 形，且s 形沉降曲線不是對稱的。隨著路基高度逐步增加，舊路基變形曲線差距就越明顯，加上新路基自重，引起差異沉降增加先逐步變大再慢慢變小，并且最大沉降點(diǎn)有向外側(cè)移動的趨勢。

圖12 不同填土高度時加寬路基豎向沉降曲線

圖13 不同填土高度時加寬路基頂面最大差異沉降變化

圖14 不同填土高度時加寬路基水平位移曲線

由圖14 可知，地表的水平位移隨著填土高度的增加而增加，新路基地表的水平位移比舊路基地表的水平位移影響要大。不同填土高度的新路基坡腳水平位移向外移動的幅度為93%、58%、22%，舊路基坡腳水平位移向內(nèi)移動幅度為63%、41%、11%，水平位移的幅度過大可能會引起新舊路基結(jié)合部產(chǎn)生滑移的現(xiàn)象。因此，在實(shí)際工況中，當(dāng)路基填土高度過大時，要采取“緩邊坡”或提高路基壓實(shí)度來控制差異沉降和水平位移，保證公路整體穩(wěn)定性。

綜上所述，影響新老路基差異沉降的因素是多方面的，論文結(jié)合實(shí)際工程，僅從加寬方式和寬度、加寬填土高度以及加寬填土填料重度幾個方面進(jìn)行分析，對差異沉降分析有一定的理論指導(dǎo)作用。分析結(jié)果可知，豎向沉降值方面:加寬寬度影響最大，填料重度影響最小;水平位移方面:填土高度最大，加寬方式最小［18］。

4 建議

通過上述分析，現(xiàn)對老路基加寬時半幅填方施工提出幾點(diǎn)建議。

1)采用重度小的輕質(zhì)土作為填方填料。在保證工程質(zhì)量的情況下，填土材料容重選擇上，科學(xué)的選用重度較小的輕質(zhì)土;輕質(zhì)路堤不僅對新老路基差異沉降影響較小，而且節(jié)省工程造價。

2)建議道路加寬8 m，即增加兩車道為佳。寬度增加8 m 時，路基差異沉降較小，水平位移最為合理。

3)路基的寬度加寬較小時可以采用單側(cè)加寬方式，寬度加寬較大時可以選擇雙側(cè)加寬。單側(cè)加寬對道路交通干擾較小，利于施工;雙側(cè)加寬對整體路基沉降較小，對路面結(jié)構(gòu)破壞小。

4)加寬路基高度6 m 最為合適。當(dāng)填土高度高于6 m 時，差異沉降和水平位移幅度都較大，新老結(jié)合部產(chǎn)生滑移的可能性變大，對邊坡穩(wěn)定極為不利。

5)填方施工要點(diǎn)。土方回填后其壓實(shí)度與壓實(shí)機(jī)械所耗功有關(guān)，對于砂土碾壓2 ～3 遍，亞砂土3 ～4 遍，黏土5 ～6 遍等。在一定壓實(shí)度情況下含水率不應(yīng)過大，每層填土厚度應(yīng)控制在30 ～40 cm最佳。

5 結(jié)論

從沉降、水平位移全面分析了新老路基差異沉降的特性。減小路基差異沉降的方法有很多種，可以根據(jù)合理的加寬方式和加寬寬度、控制加寬路基高度、合適的路基填料等，保證交通車輛在公路上安全行駛。

1)合理選擇加寬方式。單側(cè)加寬和雙側(cè)加寬各有利弊，相同加寬寬度下單側(cè)加寬的路基沉降和差異沉降都要比雙側(cè)加寬小，同時工程造價及施工難度較低，但是雙側(cè)加寬更有利于路面結(jié)構(gòu)受力，對路面整體穩(wěn)定性要好。

2)隨著新建路基寬度增加差異沉降逐漸變大，最大沉降點(diǎn)慢慢向路中心靠攏，地表層的水平位移也逐步變大，這樣增加了新老路基結(jié)合部產(chǎn)生病害的幾率。加寬寬度還能為設(shè)計(jì)公路車道數(shù)增加提供可靠的依據(jù)。

3)加寬路基高度對新老路基差異沉降影響較大。新老路基差異沉降隨著新筑路基的填土高度階段性的增加先逐漸變大后慢慢變小，呈S 形，最大沉降量也隨之增大且最大沉降點(diǎn)的位置變動很小。

4)路基填料重度的不同對新老路基差異沉降影響較大。路基填料重度越大，差異沉降越大，采用泡沫輕質(zhì)路堤填料比一般填土路堤填料對差異沉降的效果要好。

［1］端木瑾，陳 銳，戴卓志.水官高速擴(kuò)建工程邊坡設(shè)計(jì)的綜合分析［J］.公路工程，2014，39(2):13－15.

［2］王建強(qiáng)，楊云峰，等.高速公路改擴(kuò)建時機(jī)決策方法［J］.交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2010，10(1):106－111.

［3］沈國印，李修忠.高速公路拓寬工程新老路基差異沉降的數(shù)值模擬［J］.公路，2012(9):9－13.

［4］孟學(xué)清.高速公路加寬改建路基差異沉降機(jī)理分析及控制措施［J］.公路，2014(7):103－106.

［5］楊永泰.前陸盆地沉降機(jī)理和地層模型［J］.巖石學(xué)報(bào)，2011，27(2):531－544.

［6］閆 強(qiáng)，支喜蘭，等.高速公路路基差異沉降標(biāo)準(zhǔn)［J］.長安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013(2):16－21.

［7］徐金明，湯永凈.分層總和法計(jì)算沉降的幾點(diǎn)改進(jìn)［J］.巖土力學(xué)，2003，24(4):518－521.

［8］傅 珍，王選倉，等.新舊地基不同固結(jié)程度對拓寬路基差異沉降的影響［J］.公路，2008(5):9－12.

［9］楊海彤.真空堆載聯(lián)合預(yù)壓固結(jié)與沉降規(guī)律究［D］.南京:河海大學(xué)，2003.

［10］GB50021－2001，巖土工程勘察規(guī)范［S］.

［11］吳雄志.考慮滲流力時對太沙基一維固結(jié)理論的修正［J］.巖石力學(xué)，2004，25(8):1279－1282.

［12］鄂海清，魏曙紅.佛開高速公路軟基路堤拓寬沉降控制標(biāo)準(zhǔn)研究［J］.公路，2012(5):68－72.

［13］傅 珍.高速公路拓寬工程路基差異沉降及控制技術(shù)研究［D］，西安:長安大學(xué)，2007.

［14］丁繼新.邊坡位移監(jiān)測的若干技術(shù)問題［J］.水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2007(5):110－114.

［15］翁效林，馬豪豪，等.差異沉降條件下黃土拓寬路基協(xié)調(diào)機(jī)制模型試驗(yàn)研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2013，27(S2):4002－4009.

［16］葉永城，李思清，等.佛開高速公路單側(cè)拓寬工程差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)研究［J］.中外公路，2010(5):1－4.

［17］柴玉卿.樁板墻在洛三高速公路高填方路基雙側(cè)加寬中的應(yīng)用［J］.中外公路，2014，34(4):53－55.

［18］童懷峰，郭院成.基于統(tǒng)一強(qiáng)度理論的路基臨界填土高度計(jì)算分析［J］.公路，2007(11):90－93.