劉岳兵

(湖南建工集團(tuán)有限公司,湖南 長沙 410000)

1 工程概況

武陵山大道位于張家界主城區(qū),是聯(lián)系城區(qū)與武陵源景區(qū)的交通主干路,現(xiàn)狀為S306省道,二級(jí)公路。武陵山大道包括城區(qū)段與景區(qū)段兩部分,城區(qū)段所在區(qū)域位于張家界市主城區(qū)北片的沙堤片區(qū),全長約10.0 km,城市主干路等級(jí)。

為提高建設(shè)用地利用率與合理利用建設(shè)資金,對(duì)武陵山大道城區(qū)段進(jìn)行全面升級(jí)改造,在原有道路基礎(chǔ)上,對(duì)該區(qū)段進(jìn)行二級(jí)拓寬。其中九路采用雙向車道,路幅寬度約為50 m,路面斷面形式較為復(fù)雜,舊路總長10.0 km,新路總長為6.2 km,整體利用率為78%。根據(jù)沿線路網(wǎng)及周邊地塊開發(fā)形狀,確定線路全程主要采用填方路基的形式進(jìn)行施工,南段與北段的填方面積較小,沿線邊坡的平均高度為10.2 m。為減少占地面積,對(duì)于邊坡防護(hù)的,利用石垛與擋土墻對(duì)邊坡支護(hù),舊路拓寬區(qū)段采用兩側(cè)加寬。為減少征地拆遷,拓寬路段按50 m寬道路寬度設(shè)計(jì),雙向8車道。對(duì)于道路一側(cè)受房屋、河流、高陡邊坡等因素限制的路段,經(jīng)方案比選,可采用單邊加寬。路基加寬施工期間,舊路仍在運(yùn)營中,應(yīng)根據(jù)工程進(jìn)度進(jìn)行相應(yīng)的施工交通組織和控制。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告,擬建場(chǎng)地的地震烈度為Ⅵ度,屬于相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域,項(xiàng)目區(qū)工程場(chǎng)地類別以Ⅰ～Ⅱ類為主。沿線地貌類型主要為沖積平原,路基填土構(gòu)成成分較為復(fù)雜,根據(jù)線路里程,將典型地質(zhì)層組分為6類,如表1所示。

表1 工程路基地質(zhì)分布

擬建場(chǎng)地中的地下水位平均高度為20.6 m,主要由道路兩側(cè)基巖裂隙水與自然降水給予,包括礫石角礫土,含水量高,透水性強(qiáng)。水量隨地質(zhì)條件的變化而變化很大?；鶐r面作為相對(duì)隔水層,是地下水的聚集匯流帶。水量、水位動(dòng)態(tài)變化較大,水質(zhì)總體較好。屬于淡水,具有弱腐蝕性。

在項(xiàng)目施工期間,舊地基的沉降已經(jīng)結(jié)束,在運(yùn)營過程中,由于舊路路基自重和車輛荷載的持續(xù)作用,軟土地基中的水被排出,而路面加寬較厚,新地基與舊地基的固結(jié)時(shí)間與強(qiáng)度不同,且兩者的地基壓縮模量差距較大,這導(dǎo)致加寬工程的不均勻沉降。為最大限度地減少拓寬施工后地基的差異沉降,將沉降控制在合理范圍內(nèi),有必要分析不均勻沉降的原因,從而有針對(duì)性地設(shè)計(jì)沉降控制措施。

2 路基差異沉降產(chǎn)生機(jī)理分析

2.1 橫向差異沉降產(chǎn)生機(jī)理

道路結(jié)構(gòu)與路基之間存在明顯的剛度差異。一般情況下,在下部基礎(chǔ)的支撐下,道路部分的沉降較小,而橋臺(tái)部分的沉降由路基壓縮沉降和地基固結(jié)沉降組成[1]。當(dāng)?shù)缆泛竺娴穆坊饾u填充和抬高時(shí),土壤荷載從橋臺(tái)上脫落后,地基將繼續(xù)固結(jié)和沉降[2]。在短周期的情況下,軟土地基含水量大、空隙率高、強(qiáng)度不足,需要很長時(shí)間才能完成固結(jié),這導(dǎo)致運(yùn)營期橋臺(tái)后基礎(chǔ)持續(xù)固結(jié)沉降,導(dǎo)致不均勻沉降。此外,根據(jù)施工工藝可知,道路回填工序通常是在原有道路邊溝填平壓實(shí)后進(jìn)行的,而這將會(huì)使路面的施工面變窄,增加了土石方壓實(shí)的難度,最終使得新道路土工格室的填料無法徹底壓實(shí),而在重力侵蝕與路基自重應(yīng)力的共同作用下,導(dǎo)致填料與高填路基之間的孔隙逐漸較小,進(jìn)而產(chǎn)生差異沉降。

2.2 縱向差異沉降產(chǎn)生機(jī)理

經(jīng)過多年的舊路運(yùn)營,舊路路基和基礎(chǔ)的固結(jié)沉降基本完成,并進(jìn)行了加寬和拼接。新路基填料的重力荷載將導(dǎo)致下部路基和新路基產(chǎn)生較大的固結(jié)沉降,路基兩側(cè)將產(chǎn)生不均勻沉降,并向上反映到路基和路面。當(dāng)?shù)鼗鶠檐浲習(xí)r,不均勻沉降將更加嚴(yán)重;為了將新舊路基整體拼接,減少不均勻沉降,需要對(duì)新舊路基接縫進(jìn)行重點(diǎn)處理[3]。然而,由于施工工藝、處理不當(dāng)?shù)纫蛩?現(xiàn)場(chǎng)處理往往達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,導(dǎo)致接縫處不均勻沉降或新路基沿接縫面滑動(dòng),舊路基原有濕度大,壓實(shí)度不足,路基填料差異大,新填路基和舊填路基的土體強(qiáng)度和穩(wěn)定性差異很大,這必然導(dǎo)致一定的沉降差異。

根據(jù)以上總結(jié)可知,公路拓寬工程病害主要來自新舊路基變形不協(xié)調(diào)和拓寬路基穩(wěn)定性差兩個(gè)方面。以下將基于上述兩個(gè)原因和項(xiàng)目概況,研究不均勻沉降的控制措施。

3 差異沉降控制技術(shù)研究

3.1 路基模型建立

有限元方法可以對(duì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中難以實(shí)現(xiàn)、無法實(shí)現(xiàn)的理論推導(dǎo)或理論推導(dǎo)結(jié)果誤差較大、理論推導(dǎo)耗時(shí)的工程問題進(jìn)行數(shù)值模擬,它在處理工程問題的過程中具有許多優(yōu)點(diǎn)。通過計(jì)算機(jī)程序,對(duì)建設(shè)工程中的向異性與非勻質(zhì)性材料進(jìn)行分析與處理,求解非線性問題,獲得可適應(yīng)各種復(fù)雜邊界條件的線性計(jì)算模型[5]。

路基土承受拉力的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其壓縮能力。路基土的變形除了受荷載影響較大外,還會(huì)受到靜水壓力和側(cè)向應(yīng)力的影響。因此,選擇Drucker-Prager(D-P)模型作為有限元分析的材料模型。

根據(jù)工程實(shí)際情況,拓寬后全寬路基寬度分為41.0 m和42.0 m,因此,設(shè)置路基計(jì)算模型的尺寸為42 m×41 m,每側(cè)寬度計(jì)算為8 m,邊坡率采用工程中的二級(jí)邊坡的坡率,為1∶1.5,加寬路基模型的底部長度為30 m,寬度為20 m;基床表層的計(jì)算長度取15 m,寬度取18 m,路基的延伸方向長度取15 m。具體計(jì)算參數(shù)如表2所示。

表2 路基模型計(jì)算相關(guān)參數(shù)

模型中定義的水平位移基于舊路基中心線下方的基面,垂直于路基中心線并遠(yuǎn)離路基的方向?yàn)檎?相反方向?yàn)樨?fù);沉降基于舊路基的中心線和路基頂面線,向下為正,向上為負(fù)。考慮到加寬路基寬度較大,為了保證有限元分析計(jì)算的計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度,對(duì)路基模型的網(wǎng)格劃分單位取1.5 m進(jìn)行計(jì)算。路基計(jì)算模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元路基計(jì)算模型示意圖

原點(diǎn)位于舊道路中心下方研究范圍的最低點(diǎn),圖中點(diǎn)A,在y軸方向上,選擇地面以下18 m的路基和地基土作為路基模型的計(jì)算范圍。其中,由素填土和粉質(zhì)粘土組成的填土層地基1的厚度h1=3 m,高液限土和其他不良地質(zhì)土組成的軟弱土層地基2的厚度h2=5 m,由巖層組成的地基3的厚度h3=10 m;在x軸方向上,選擇向右延伸50 m的路基中心線作為路基模型的計(jì)算范圍,其中舊道路頂面寬度為14 m,新擴(kuò)建道路寬度為10 m。

根據(jù)以上方法建立的路基計(jì)算模型,基于土體參數(shù),接下來計(jì)算新舊路基的差異沉降量,便于設(shè)計(jì)有針對(duì)性的沉降控制措施。

3.2 新老路基差異沉降計(jì)算

為精準(zhǔn)求解出新舊路基的最終差異沉降,在計(jì)算之前,需要根據(jù)路基的固結(jié)時(shí)間界定路基的沉降類型進(jìn)行分類與界定。將原有道路的路基稱為舊路基,拓寬后的路基稱為新路基,舊路基與新路基之間的銜接部分稱為拓寬路基。

為便于計(jì)算,對(duì)路基的沉降類型做出如下定義:舊路基的最終沉降為第一次與第二次沉降量之和;新路基的最終沉降為瞬時(shí)沉降、主固結(jié)沉降與次固結(jié)沉降量之和。所以拓寬路基的最終沉降包括舊路基與新路基的最終沉降量之和。

假設(shè)地基計(jì)算深度E,平均變形模量為Se為

(1)

式中:σz為土層的平均附加壓力,MPa。在此工程施工過程中,平均變形模量為2.5 MPa,根據(jù)前述已知的地基計(jì)算深度,結(jié)合公式(1)可得到老路地表的總沉降為0.27 m。

根據(jù)圖2可知,新路基的分布為平行四邊形,而其表面的荷載分布形式主要為梯形荷載,因此,結(jié)合新路基的附加應(yīng)力,得到新路地表總沉降St為

圖2 路基差異沉降觀測(cè)結(jié)果

St=(k1+k2+k3)P1+(k4+k5+k6)Pa

(2)

式中:k1、k2、k3分別為舊路基三個(gè)三角形分布區(qū)荷載的附加應(yīng)力系數(shù);P1為沿深度方向舊路基的附加應(yīng)力,MPa;k4、k5、k6分別為舊路基三個(gè)矩形分布區(qū)荷載的附加應(yīng)力系數(shù);P2為沿深度方向新路基的附加應(yīng)力,MPa。通過前述數(shù)據(jù)計(jì)算新路地表的總沉降為0.23 m。

根據(jù)以上兩式可以計(jì)算得到新老路基的差異沉降為

ΔS=St-Se

(3)

利用上式計(jì)算即可得出路基底面下地基各層的沉降總和,即路基的最終差異沉降為0.04 m,可為差異沉降控制措施的研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.3 差異沉降控制措施

基于以上分析,得到路基差異沉降的主要原因?yàn)榈鼗牟痪鶆蜃冃?因此優(yōu)化地基處理技術(shù)以減少新老路基的不一致沉降是解決新老路基不均勻沉降的根本。

由于工程所在區(qū)段的土質(zhì)存在少量軟土地層,厚度不超過5 cm,因此可采用復(fù)合地基處理技術(shù)來減少差異沉降。其主要原理為:沿地面高程方向向下對(duì)土層開挖,將其中的軟土層利用強(qiáng)度高、透水性較差的圓礫與粉煤灰替代,并采用壓實(shí)機(jī)壓實(shí),提高路基的承載力,減少路基基床底層的沉降變形。

將拓寬的路基部分的表面碎石與殘?jiān)M(jìn)行徹底清除并開挖臺(tái)階,在臺(tái)階的下2/3處鋪設(shè)土工格柵,將碎石墊層壓實(shí);為保證路基基床的壓實(shí)度達(dá)到控制標(biāo)準(zhǔn),采用沖擊壓路機(jī)進(jìn)行壓實(shí),確保壓實(shí)度不小于90%,壓實(shí)范圍為基床表層到邊坡的坡腳外側(cè)。當(dāng)路基周邊存在地下管道與其他構(gòu)筑物或斷面寬度無法支持沖擊壓實(shí)時(shí),此時(shí)采用壓實(shí)機(jī)進(jìn)行壓實(shí),并在壓實(shí)范圍周邊開挖隔振溝,同時(shí)鋪設(shè)的土工格室應(yīng)延伸到室內(nèi)深調(diào)節(jié)的內(nèi)邊緣。

4 應(yīng)用效果分析

項(xiàng)目位于沙堤區(qū),軟土分布廣泛。由于土路拓寬工程的變形率和變形量高于道路工程,容易產(chǎn)生較大的總沉降和不均勻沉降,對(duì)拓寬路基的安全性影響較大,更容易造成道路路面縱向開裂等不良工程病害。因此,考慮到路基的不利工程特性,本項(xiàng)目擬采用比現(xiàn)行線路擴(kuò)建的一般沉降標(biāo)準(zhǔn)更高的控制標(biāo)準(zhǔn)。確定本工程沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為:工后沉降計(jì)算期不小于15年,加寬路基工后沉降不大于5 cm。

路基沉降監(jiān)測(cè)采用DSOS級(jí)高精度數(shù)字水準(zhǔn)儀、千分尺和古鋼尺,按照國家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行測(cè)量,視線高度大于0.3 m。在臺(tái)階或基面上開挖一個(gè)約40 cm的基坑,覆蓋第一段PVC管,并用小型壓實(shí)機(jī)或手動(dòng)壓實(shí)。注意沉降管的垂直度,防止機(jī)械碰撞和損壞。舊路基的觀測(cè)點(diǎn)位于舊路基坡頂向內(nèi)20 cm處,新路基的位移觀測(cè)點(diǎn)位于新路基和舊路基下方的地基交界處。利用公式(3)計(jì)算路基的差異沉降,并繪制差異沉降隨時(shí)間變化曲線,如圖2所示。

隨著觀測(cè)時(shí)間的推移,路基的差異沉降值逐漸升高,當(dāng)路基拓寬時(shí)間為50 d時(shí),填筑路基斷面的沉降量為3.21 cm,達(dá)到了沉降最大值,但仍處于控制目標(biāo)范圍內(nèi)。由此可以說明,地基處理加固技術(shù)能夠有效控制路基差異沉降,提高路基的整體穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

依托于武陵山大道拓寬工程,對(duì)工程拓寬施工的路基差異沉降的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行深入分析,借助有限元分析軟件,基于計(jì)算模型與差異沉降值,提出地基復(fù)合處理控制技術(shù),經(jīng)過實(shí)際工程應(yīng)用表明,該控制措施可有效改善路基差異沉降變形,當(dāng)路基拓寬時(shí)間達(dá)到50 d以后,路基的差異沉降達(dá)到最大值3.21 cm,且不再繼續(xù)增大,能夠控制路基差異沉降處于目標(biāo)范圍內(nèi),確保道路拓寬工程能夠向著高質(zhì)量高效化的方向建設(shè)。