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        山區(qū)高速公路路基差異沉降特性與控制措施研究

        2022-06-07 06:01:07晏輝
        交通科技與管理 2022年10期

        晏輝

        摘要 隨著我國高速公路的發(fā)展,重點發(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)構造復雜,路基施工完成后易出現(xiàn)差異性沉降。路基沉降過大會造成大量路面病害,影響高速公路服務年限。以云南某山區(qū)高速公路為調(diào)查對象,研究路基地基性質(zhì)、路基填筑高度以及填料性質(zhì)對差異沉降的影響,分析山區(qū)公路路基差異性沉降機理。結(jié)合工程實踐,基于差異性沉降分級,提出強夯法、加鋪土工格柵法以及設置分隔墻法處理公路路基差異性沉降。

        關鍵詞 公路路基;差異沉降;強夯法;壓實度

        中圖分類號 U418.5 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949(2022)10-0095-03

        0 引言

        隨著我國高速公路規(guī)劃網(wǎng)的逐漸建成,高速公路建設項目由東部地區(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力[3]。層底拉應力的增大,造成高速公路路面出現(xiàn)疲勞破壞、裂縫等結(jié)構性病害,嚴重影響路面結(jié)構的耐久性[4]。為了解決山區(qū)高速公路路基差異性沉降問題,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理。基于差異性沉降等級,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)構本身的固結(jié)壓縮變形。公路路基壓實采用分層壓實法,在分層壓實過程中路基土承受的輪載最大,產(chǎn)生的土體變形最大,而地基土的壓實效果不明顯。當路基分層壓實完成后,沉降量主要由地基土的固結(jié)壓縮變形造成。對于山區(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程中由于施工器械的壓實作用,從施工開始至施工結(jié)束產(chǎn)生的沉降。施工后沉降是指在路基施工結(jié)束后,在一段時間內(nèi),在土體自重和車輛荷載的共同作用下導致地基土出現(xiàn)產(chǎn)生沉降的過程。

        1.1 工程概況

        云南省某高速公路全長145.37 km,位于山嶺重丘區(qū),如表1所示,以30 km為一個公路段將整條山區(qū)高速公路進行劃分。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,需要對軟質(zhì)基巖地基進行處理。

        1.2 差異性沉降機理

        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:

        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行路基修筑時,會對地基整體結(jié)構造成影響,路堤填土相當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)該高速公路項目可知,項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,應該對高填方路基自重引起的差異沉降提高重視。

        1.2.2 壓實度不足引起的差異性沉降

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

        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,進行路基施工前需要對軟弱地基進行處理。但是軟弱地基處理屬于隱蔽工程,為了減少工程造價,有一部分施工方,選擇直接在軟弱土地基上進行路基修筑,未對軟弱土地基進行處理。公路施工驗收時,也只檢測路基頂面與基層層底拉應力,在環(huán)境因素與行車荷載的反復作用下,公路路基出現(xiàn)路堤沉降、路面斷裂以及橋頭跳車等病害。該公路段通過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)過二次壓實,不論壓實效果有多好,施工完成后也會產(chǎn)生沉降。針對路基施工器械分析,壓實設備的壓實功也是有限的。根據(jù)路基工程施工實踐結(jié)果,高填方路基在經(jīng)過壓實施工后,由于環(huán)境因素與行車荷載的共同作用,會導致地基出現(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,在路基施工過后,會出現(xiàn)由于自重變化所引起的地基不均勻沉降,但是對高填方路基進行沉降處治,可有效減少沉降量。

        1.2.5 工期限制引起的差異性沉降

        路基沉降是一個持續(xù)的過程,不可能在施工過程中達到完全沉降。路基施工時間是路基自然沉降的一個關鍵因素,如今高速公路的建設講究施工效率,要求工程在短時間內(nèi)完工,路基的施工基本上在10~16個月內(nèi)完工,在施工時間內(nèi),高填方路基并沒有達到完全沉降,沉降量只達到了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,在進行面層與基層施工時,路基并未完全沉降,這樣會造成路基施工后出現(xiàn)過大的差異沉降,對新鋪筑的面層與基層造成嚴重破壞。

        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,對該公路路基的填筑高度、地基性質(zhì)以及路基填料類型進行試驗研究。根據(jù)該公路路基進行有限元軟件建模,設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,試驗結(jié)果如表2所示。

        2.1 地基性質(zhì)對路基差異性沉降影響

        當路基填料與路基填筑高度相同時,軟質(zhì)基巖地基的沉降量要大于硬質(zhì)地基的沉降量,這是因為硬質(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,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 路基填筑高度對路基差異性沉降影響

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

        2.3 路基填料類型對路基差異性沉降影響

        當?shù)鼗再|(zhì)與路基填筑高度保持不變時,根據(jù)三種不同類型的路基填料沉降量結(jié)果,路基類型的沉降量排列順序為填石路基>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,但是對于路基填料選擇來說,填土路基雖然沉降最小,造價最高,考慮到工程經(jīng)濟性,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

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

        3.2 強夯法

        強夯法是山區(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,在進行強夯施工時,將夯錘落距升高至6~30 m,使夯錘垂直落下對地基土進行沖擊。經(jīng)過多次的強夯,能夠使路基土結(jié)構增加固結(jié)壓縮變形,達到壓縮土體的目的,增加地基土的變形模量,提升原始地基強度。在夯錘垂直落下夯擊路基的施工施工過程中,具有兩種固結(jié)方式。

        3.2.1 動力固結(jié)

        動力固結(jié)的方式適用于黏性土地基,在使用強夯法對黏性土地基進行施工時,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)的同時伴隨著巨大的應力波,產(chǎn)生的應力波將原有的地基結(jié)構破壞,造成土體壓縮變形。在巨大的應力波作用下,局部的地基土發(fā)生液化現(xiàn)象,土體結(jié)構產(chǎn)生大量裂縫,土體裂縫的出現(xiàn)增加了土體結(jié)構的排水通道,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 動力夯實

        動力夯實的方式適用于大孔隙以及大粒徑的非飽和土。地基土結(jié)構內(nèi)存在較多孔隙,在孔隙中存在大量氣體。動力夯實作用下,產(chǎn)生的動應力以及沖擊波會將地基土孔隙中氣體瞬間排出,壓縮地基土體體積,從而達到地基密實。強夯法能夠?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)高速公路地形復雜起伏較大,在使用強夯法施工時夯錘可能會導致高填方路基整體結(jié)構變化,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,土工格柵相當于增加了土體之間的內(nèi)摩擦力,提高路基的強度,能夠提高結(jié)構的穩(wěn)定性,減少反射裂縫的發(fā)展。采用土工格柵法進行路基差異沉降處置時,具有施工簡單、工期短、質(zhì)量高的特點。土工格柵施工時要注意布設位置的合理性以及布設密度,土工格柵法能夠?qū)崿F(xiàn)土體應力的分散,提高路基的抗剪能力,增大結(jié)構穩(wěn)定性。在高填方路基加寬施工過程中,路基拼接處應力集中現(xiàn)象最為嚴重,車輛荷載重復作用造成新舊路基拼接處出現(xiàn)差異沉降,路面基層層底拉應力急劇增大,出現(xiàn)明顯的縱向裂縫,降低公路服務年限。土工格柵可以設置在層底拉應力最大的位置,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力,避免縱向裂縫結(jié)構性病害出現(xiàn)。

        3.4 設置分隔墻

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

        (1)新舊路基處或地基承載力不能滿足要求處設置分隔墻,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)合工程實踐,對于工后沉降原因引起的高填方路基差異沉降,分隔墻的設置能夠使道路中線11.5 m半徑內(nèi)差異沉降減少40%左右。

        (3)設置分隔墻能夠控制道路橫坡的變化。結(jié)合工程實踐,高填方路基加寬過程中,會影響原有道路橫坡坡度,使道路橫坡坡度增加,降低行車安全性。設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為“中”級,且地基性質(zhì)為硬質(zhì)基巖地基和軟質(zhì)基巖地基無軟弱土地基,地基變形模量較大,由此選擇強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)對路基差異沉降的影響,提出強夯法、土工格柵法、設置分隔墻法處置高填方路基差異沉降的措施,結(jié)合項目情況確定強夯法為該公路路基處置方法。

        參考文獻

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