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        高填方路基沉降預(yù)測(cè)及加固機(jī)理探究

        2021-11-22 02:17:34唐穎
        中國(guó)公路 2021年19期
        關(guān)鍵詞:變形影響施工

        唐穎

        (中電建路橋集團(tuán)西部投資發(fā)展有限公司,四川 成都 610213)

        一、高填方路基的基本特點(diǎn)

        高填方路基的高度較大(普遍達(dá)到20cm左右),路基的自重較大,加之外部行車荷載等因素的影響,容易出現(xiàn)沉降現(xiàn)象,嚴(yán)重影響車輛的正常通行。高填方路基的質(zhì)量要求高,既要保證地基的穩(wěn)定性,又要提高路基自身的抗壓強(qiáng)度,由此加大了施工的難度,對(duì)施工技術(shù)提出了較高要求。在高填方路基施工時(shí),應(yīng)根據(jù)規(guī)范組織嚴(yán)謹(jǐn)計(jì)算,以確定路基的重量,結(jié)合所掌握的各項(xiàng)基礎(chǔ)信息確定合適的加固方法,從源頭上規(guī)避高填方路基沉降的問(wèn)題,保證車輛通行的平穩(wěn)性與安全性。

        二、路基沉降的過(guò)程分析

        路基沉降問(wèn)題是公路工程常見病害之一,路基出現(xiàn)變形和沉降會(huì)造成路面結(jié)構(gòu)斷裂,影響行車安全,縮短公路的使用年限。由于高填方路基是當(dāng)前山區(qū)高速公路路基施工的常見形式之一,如何控制高填方路基沉降量和變形量、提高路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和使用品質(zhì)便成為了急需解決的問(wèn)題之一。

        (一)高填方路基特征

        導(dǎo)致路基沉降和變形的根本原因是應(yīng)力變化,具體表現(xiàn)為彈性變形與塑性變形的雙重作用。在路基施工中,材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系服從廣義胡克定律。但實(shí)際情況下,對(duì)于巖土材料,胡克定律只在一定范圍內(nèi)適用。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)一定限度以后,巖土體內(nèi)部將產(chǎn)生部分塑性變形。

        (二)非線性彈性

        應(yīng)用最多的路基非線性彈性模型主要有三種,具體為變彈性模型、次彈性模型及超彈性模型,在路基變彈性模型中通常認(rèn)為彈性系數(shù)與彈性模量為變量。一般情況下,路基工程中的巖土材料為彈塑性介質(zhì),可以應(yīng)用到的塑性理論的主要有全量理論與塑性增量理論兩種,基于塑性理論即可構(gòu)建方程,進(jìn)而計(jì)算出路基變形量。

        (三)基本力學(xué)性能

        在應(yīng)力變化的影響下,高填方路基土吸水性會(huì)增強(qiáng),具體表現(xiàn)為土體顆粒表面吸附水,進(jìn)土體存在黏滯性,土體邊界約束力降低,在路基內(nèi)部應(yīng)力出現(xiàn)變化,土體顆粒變形移動(dòng),導(dǎo)致路基結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。土體是一種兼具彈性、塑性、黏滯性的彈黏塑性體,流變性強(qiáng),在路基結(jié)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到荷載變化的影響,土體流變性描述也會(huì)受到其特性的影響。

        三、高填方路基沉降變形規(guī)律的分析

        (一)擊實(shí)試驗(yàn)

        擊實(shí)試驗(yàn)是高填方路基沉降變形分析工作中的關(guān)鍵方法,試驗(yàn)所用材料的物理參數(shù)一致。試驗(yàn)中,棄渣以泥漿為主要成分,夾雜部分石灰?guī)r。根據(jù)材料的粒徑特點(diǎn),將石灰?guī)r作為路堤粗集料,細(xì)料土選用的是頁(yè)巖土和黏土兩類。考慮到離心模擬操作的便捷性要求,在離心模型設(shè)計(jì)工作中,依據(jù)最大離心率確定最為合適的用料最大粒徑。試驗(yàn)所用土的粒徑在4.75mm以內(nèi),共設(shè)定四種土石比,按照各比例制備相應(yīng)的土石混合料,并對(duì)其展開擊實(shí)試驗(yàn),分別測(cè)定各組的最佳含水量和抗剪強(qiáng)度指標(biāo),基于各組試驗(yàn)結(jié)果做出對(duì)比分析。試驗(yàn)中所需用到的擊實(shí)儀如圖1所示。

        圖1 擊實(shí)儀

        (二)土工離心模型試驗(yàn)

        以增加離心模擬重力的方式組織試驗(yàn),用于反映原型在力的作用下所呈現(xiàn)出的變形過(guò)程。高填方路基填料的土石比不同,對(duì)應(yīng)的施工方法將隨之改變,土石路堤沉降實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定所耗費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng),并不能在施工階段達(dá)到完全沉降穩(wěn)定的狀態(tài)。在圍繞高填方路基的壓縮變形特性展開分析時(shí),需考慮的是高填方路基的各類土石比,分析在土石比發(fā)生變化后對(duì)應(yīng)的沉降特點(diǎn),從中摸索出兩項(xiàng)指標(biāo)間所存在的影響機(jī)制。構(gòu)建的離心模型可用于模擬各類填筑材料,進(jìn)而給沉降預(yù)測(cè)模型提供試驗(yàn)資料,以便高效開展試驗(yàn)工作。

        四、高填方路基不均勻沉降的原因

        (一)地質(zhì)、地形原因

        高速公路的建設(shè)里程較長(zhǎng),沿線經(jīng)過(guò)的地質(zhì)區(qū)域類型豐富,不同區(qū)段的地基土特性存在差異,從根本上決定了路基沉降特性的差異化現(xiàn)象。此外,路基填筑施工中所用填料并非完全一致,即便相同的填料也會(huì)由于生產(chǎn)工藝、批次等原因出現(xiàn)質(zhì)量差別。因此,在多重因素的共同作用下,各路段路基的強(qiáng)度和沉降量也有所不同。若缺乏針對(duì)性的處理措施,很容易由于局部承載性能或其他方面的不足而出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象,例如路基下沉、基層受損等,如圖2所示。

        圖2 路基沉降斷面圖(m)

        (二)過(guò)渡段差異

        高速公路建設(shè)中,例如路橋涵的過(guò)渡段、臺(tái)背沉降段等均是較為特殊的路段,該部分路基剛度有較明顯的差別,會(huì)因?yàn)榱W(xué)性質(zhì)協(xié)同性不足而誘發(fā)路基不均勻沉降現(xiàn)象。例如,重新填方的路基和挖方的路基在剛度方面有較大差別,經(jīng)過(guò)壓實(shí)處理后,若壓實(shí)度相對(duì)欠佳,后續(xù)受行車荷載、降雨等因素的影響容易出現(xiàn)沉降的問(wèn)題。臺(tái)背沉降路段則體現(xiàn)在臺(tái)背、路基結(jié)構(gòu)差異化的層面,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),有差異性沉降的地點(diǎn),車輛通行的平順性將受到嚴(yán)重影響。

        (三)路基填料不均勻

        秉承著資源效用最大化的原則,路基挖方施工中產(chǎn)生的多余土料將被應(yīng)用于填方施工中,若無(wú)法精準(zhǔn)掌握此類填料的特性(體現(xiàn)在級(jí)配、材料組成等方面),則容易與現(xiàn)場(chǎng)原有的路基土產(chǎn)生差異,兩部分缺乏協(xié)同性,隨之出現(xiàn)不均勻沉降的問(wèn)題。從施工的角度看,若碾壓厚度偏大則容易出現(xiàn)部分土料無(wú)法被有效壓實(shí)的情況,軟弱物質(zhì)在使用中的承載能力不足,后續(xù)將出現(xiàn)沉降問(wèn)題。

        (四)地表水、地下水影響

        水對(duì)路基的侵蝕作用較強(qiáng),在高填方路基施工及使用中以地表水和地下水的影響最為顯著。在水的持續(xù)性滲流作用下,容易破壞公路路基的穩(wěn)定性,例如出現(xiàn)滑塌、沉降等質(zhì)量問(wèn)題。建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)以干燥性氣候?yàn)橹鲿r(shí),包含膨脹土、黃土在內(nèi)的絕大部分土質(zhì)均具有較高的承載力,可以維持穩(wěn)定的狀態(tài),非特殊情況下幾乎無(wú)路基沉降問(wèn)題;但在持續(xù)降雨的影響下或是存在其他水體的干擾時(shí),原本處于穩(wěn)定狀態(tài)的土質(zhì)將受到影響,其逐步由固結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗缮⑴蛎浀臓顟B(tài),土體的承載力較前期大幅度下降,由此加大沉降的發(fā)生概率。

        (五)路基體自重的原因

        高填方路基結(jié)構(gòu)中,原有的地基已達(dá)到固結(jié)沉降的狀態(tài),上部施工新填筑的材料會(huì)產(chǎn)生附加的應(yīng)力,由此誘發(fā)沉降現(xiàn)象。其中,填方路基的高度成為重要的影響因素,將在很大程度上影響附加的沉降量。若路基填筑施工缺乏均勻性(各部分的用料有所不同、壓實(shí)度不一致等),則容易顯現(xiàn)出差異沉降問(wèn)題。

        (六)工后沉降

        事實(shí)上,高填方路基的沉降持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。在施工期間會(huì)發(fā)生較大幅度的沉降固結(jié)現(xiàn)象,后續(xù)仍會(huì)發(fā)生一定程度的沉降,即工后沉降。若部分路基的工后沉降量偏大則不利于上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,導(dǎo)致其出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。壓實(shí)施工環(huán)節(jié)所用裝置的自重普遍為20余t,在面對(duì)質(zhì)量要求較高的高填方路基時(shí),該類常規(guī)設(shè)備難以有效滿足路基的密實(shí)性要求;并且,路基填料量較多,自重作用較強(qiáng),加之行車荷載的影響,將導(dǎo)致較為明顯的工后沉降。

        (七)土的壓縮性

        除上述原因外,路基的沉降還與土的壓縮性有關(guān),而土的壓力和孔隙則是影響壓縮性的關(guān)鍵因素。由此又可進(jìn)一步細(xì)致分析,即土的壓力主要取決于土的容重和填土的高度兩方面;土的孔隙率則易受到內(nèi)部顆粒粒徑、含水量的雙重影響。

        五、高填方路基的加固措施

        (一)填挖交接部位的壓實(shí)

        適度增加強(qiáng)夯斷面的數(shù)量。對(duì)于高填方路基所存在的不均勻沉降問(wèn)題,可將填挖交界區(qū)域作為重點(diǎn)處理對(duì)象,切實(shí)加大對(duì)該處的強(qiáng)夯力度,并在路床底部組織一次強(qiáng)夯作業(yè),每間隔8m強(qiáng)夯一遍。在外力作用下切實(shí)提高交接部位的密實(shí)度。

        合理選用壓實(shí)設(shè)備。在高速公路施工中,路基填料以土石混合料為主,單一方法所帶來(lái)的強(qiáng)夯效果有限,雖然短期內(nèi)無(wú)質(zhì)量問(wèn)題,但使用時(shí)間較長(zhǎng)后易出現(xiàn)不均勻沉降。對(duì)此,宜采取落錘式強(qiáng)夯和液壓式強(qiáng)夯相結(jié)合的方案,通過(guò)多種方法的應(yīng)用有效提高路基的承載力,確保修筑成型的路基具有較高的壓實(shí)度,且各處的壓實(shí)度盡可能保持一致。

        優(yōu)化壓實(shí)作業(yè)方法。例如,可采用環(huán)形壓實(shí)與液壓式碾壓相結(jié)合的方法,其對(duì)于提高斷面壓實(shí)質(zhì)量具有重要作用,可較好地規(guī)避斷面壓實(shí)度不足的問(wèn)題。

        (二)以合理的方式開挖臺(tái)階

        機(jī)械破碎錘和爆破均是較為常規(guī)的方法,其在施工中容易帶來(lái)較為嚴(yán)重的破壞性影響,易導(dǎo)致適得其反的局面。對(duì)此,宜調(diào)整為靜態(tài)爆破的方式,以現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件為準(zhǔn),在巖石上精準(zhǔn)布孔,在許可范圍內(nèi)加大路基和山體的搭接寬度,提高摩擦力,此時(shí)開挖成型的臺(tái)階具有更為良好的完整性與穩(wěn)定性。

        (三)加強(qiáng)排水

        在填挖結(jié)合部位施工時(shí)可以敷設(shè)小導(dǎo)管(提前在導(dǎo)管上設(shè)置孔洞,并敷設(shè)適量的碎石,以起到包裹、防護(hù)的作用)。對(duì)于雨后易滲水的路段,較為適宜的是在該處設(shè)置盲溝,增強(qiáng)排水效果,有效避免該路基段的積水問(wèn)題。

        六、結(jié)語(yǔ)

        綜上所述,在高填方路基施工中,不均勻沉降的控制為重點(diǎn)內(nèi)容,切實(shí)做好此方面的工作對(duì)于保證公路的正常使用具有重要意義。鑒于路基沉降影響因素較多的特點(diǎn),實(shí)際施工中應(yīng)探尋具體的成因,合理應(yīng)用加固技術(shù),通過(guò)工藝的優(yōu)化及優(yōu)質(zhì)材料的應(yīng)用增強(qiáng)高填方路基的穩(wěn)定性。此外,橋涵過(guò)渡段等關(guān)鍵部位應(yīng)當(dāng)成為重點(diǎn)被考慮的對(duì)象,做好加固工作。

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