淺析高速公路路基沉降影響

郝令濤　劉贊瑄　張子明

摘要：路基的沉降控制問題已成為高速公路建設(shè)施工和既有線運營的技術(shù)難題，一旦發(fā)生不均勻沉降或沉降過大，都會給施工及運營帶來巨大損失。文章首先分析了路基沉降危害及其原因，然后對路基沉降理論與計算進行了論證，并對于影響填石路基壓實因素及存在問題進行了比較分析。

關(guān)鍵詞：高速公路；路基沉降；填石路基壓；軟土地基；變形機理

中圖分類號：U416文獻標識碼：A文章編號：1009-2374（2009）11-0182-02

隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，交通等基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)也進入了高潮期，其中高速公路的建設(shè)成就尤其突出。到目前為止，我國高速公路的里程已躍居世界第二位，但是由于我國幅員遼闊，人口眾多，已有的高速公路還滿足不了經(jīng)濟發(fā)展的需要。目前全國各地的高速公路建設(shè)還在有條不紊地進行著。隨著高速公路的日益增多，許多問題相應(yīng)出現(xiàn)，尤其是路基問題。路基的穩(wěn)定和沉降是高速公路建設(shè)成敗的關(guān)鍵，尤以沉降問題較為突出。沉降問題處理不好，施工期間易出現(xiàn)路堤滑塌等事故，影響施工進度和工期，給工程質(zhì)量留下隱患在公路運營階段，因不均勻沉降，路面易出現(xiàn)沉陷，橋頭發(fā)生跳車現(xiàn)象，輕者影響正常使用或美觀，重者會發(fā)生安全事故。本文分析了路基沉降危害及其原因，然后對于路基沉降理論與計算進行詳細論證，并對于軟土地基沉降預(yù)測方法技術(shù)進行比較分析。

一、路基沉降危害及原因

長期以來，在高速公路建設(shè)的實踐中形成了比較成熟的地基處理設(shè)計方法與施工技術(shù)，積累了一定的經(jīng)驗。但是，深厚軟土地基經(jīng)過以穩(wěn)定為目標的處理后，路基的長期變形問題依然未得到完全解決，主要是工后沉降過大，導(dǎo)致公路路面平整度差和橋頭跳車現(xiàn)象嚴重，往往隔不了多長時間就需重修路面，造成巨大的經(jīng)濟損失。地基工后沉降問題的研究，對保證高速公路建設(shè)質(zhì)量、正常運營以及延長公路的使用壽命具有重要的意義。為使高速公路建成通車后，確保路面的使用質(zhì)量，必須重視特殊路段地基的處治，而地基沉降計算是判斷路基是否需要處理的重要依據(jù)。

在高速公路地基的變形與穩(wěn)定的沉降觀測工作中，人們往往還要求對一些沉降異常路段作一些全面的分析，用以指導(dǎo)路堤填筑的施工進程，因而，對影響地基沉降的因素作一些分析就顯得較為必須影響高速公路地基沉降的因素很多，其主要原因有以下幾種：（1）由于填土速度過快，對路基和填土的臨界高度認識不足，在接近路基填土的臨界高度時沒有加強路基沉降觀測，導(dǎo)致軟土地基強度接近臨界狀態(tài)，稍不注意，地基出現(xiàn)承載力不足，導(dǎo)致基層失穩(wěn)，出現(xiàn)沉陷或者縱向開裂；（2）沒有進行沉降觀測或者沉降觀測控制不嚴，僅依賴于沉降計算的數(shù)據(jù)進行施工控制，實際的沉降速率、沉降曲線、工后沉降的數(shù)據(jù)均沒有嚴格的統(tǒng)計分析、預(yù)測，導(dǎo)致工后仍有很大的沉降速率和沉降量；（3）地質(zhì)資料不夠完善，對存在有暗溝、暗塘等影響路基長期穩(wěn)定的地質(zhì)結(jié)構(gòu)不清楚，導(dǎo)致在施工期間出現(xiàn)路基沉降較大等問題；（4）路基填土壓實控制不嚴，導(dǎo)致路基施工完成后，路基填土出現(xiàn)部分變形，尤其是填土高度較大的路基，由于塑性變形不斷增加，導(dǎo)致路面出現(xiàn)沉陷，影響行車舒適性。

二、路基沉降理論計算分析

高速公路建設(shè)中常常會遇到大量的不良地基問題。軟土地基的承載力低，壓縮性強，外荷載作用下會產(chǎn)生較大的變形。填石路基或者土石混填路基自重大，容易引起較大沉降。而過大的沉降或沉降差會影響路面的平整度、公路線性上的平流順暢及路面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。高速公路路基沉降按照其發(fā)生的機理可以分為瞬時沉降、固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降三部分。

（一）軟土地基沉降變形機理

在軟土地區(qū)修筑結(jié)構(gòu)物，必然導(dǎo)致地基的下沉。通常認為飽和軟土路基在荷載作用下，沉降經(jīng)歷三個不同階段。瞬時沉降、固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降，則總沉降為三者之和。其中，瞬時沉降是外部荷載加上的瞬間，飽和土中孔隙水尚來不及排出時所發(fā)生的沉降。固結(jié)沉降是荷載置于路基土上后，隨著時間的延續(xù)。荷載不變而路基上中的孔隙水逐漸排出過程中所發(fā)生的沉降。它是由于外荷載引起超孔隙水壓力的水力梯度促使水從土體內(nèi)排出，而應(yīng)力增量轉(zhuǎn)移到土體骨架上而發(fā)生沉降，它與時間有關(guān)，且主要發(fā)生體積的變化。次固結(jié)沉降，當?shù)鼗林械某o孔隙水壓力，在不變的外荷載作用下完全消散，主固結(jié)變形完成后，土體仍會繼續(xù)出現(xiàn)沉降變形。瞬時沉降與加載方式和加載速率有很大的關(guān)系。需要注意的是，在上述的三部分變形分析中只是考慮了在法向力作用下的受形，特別是固結(jié)和次固結(jié)變形的分析。實際上都忽略了剪應(yīng)力引起的變形。

（二）軟土地基工后沉降組成分析

軟土地基的工后沉降由因孔隙水壓力消散而產(chǎn)生的主固結(jié)沉降與因土骨架蠕變產(chǎn)生的次固結(jié)沉降組成。軟土地基沉降計算主要有以下目的，預(yù)估路堤在施工期間和工后由于地基沉降而增加的土方量，以及路堤底寬、頂寬和邊坡變化情況；推算沉降量和時間的關(guān)系，作為地基加固的依據(jù)；預(yù)估工后沉降量，合理確定預(yù)壓期和基層、面層施工時間。

對于沉降計算常用的方法為e～p曲線法和e～lgp曲線法。目前國內(nèi)基本方程都是基于e～p壓縮曲線的單向分層總和法，分層總和法是將地基分成足夠薄若干層，求出每一分層的壓縮量。然后將各分層的壓縮量疊加起來。國內(nèi)外實測資料表明對正常固結(jié)的黏性土，用分層總和法計算的沉降值一般比實測值小。而對于超固結(jié)黏性地基，計算值一般較實測值大。理論計算值與實測值的比值介于0.7～1.5之間。為了改善計算結(jié)果，必須根據(jù)實際觀測資料統(tǒng)計分析，采用經(jīng)驗系數(shù)對分層總和法進行修正。修正系數(shù)的變化在一定程度上反映土體非線性特性、應(yīng)力歷史和側(cè)向變形對沉降的影響。該方法的特點是簡單實用，公式中各層的常規(guī)物理力學(xué)指標容易在實驗室中獲得，試驗費用低，因此應(yīng)用較廣。

早在1936年，卡薩格蘭德在室內(nèi)固結(jié)試驗e～lgp即曲線上，求得前期固結(jié)壓力pc。由于地質(zhì)條件的變遷，pc不一定等于現(xiàn)有上覆壓力p0，根據(jù)pc、pc和p0大小關(guān)系分別計算處沉降公式。這種計算方法考慮了土的應(yīng)力歷史，實際應(yīng)用中能得出比現(xiàn)行建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范更為切合實際的結(jié)果。但這種方法仍未考慮土的剪切變形、土的非線性特性及土層間的相互作用和影響等因素。上述兩種計算方法都是以室內(nèi)無側(cè)向變形下的壓縮試驗為依據(jù)的，在高速公路路基沉降觀測中，它們的受力狀態(tài)接近于路基中心位置下地基土的受力情況及深層土的受力情況。在路肩處的地基淺層，往往有明顯的側(cè)向變形。這會使得那里的計算結(jié)果較實際沉降偏小。

三、影響填石路基壓實因素及存在問題分析

填石或者土石混填路基在公路建設(shè)中經(jīng)常采用，在河、塘、湖、海地區(qū)經(jīng)常采用拋石擠淤或砂礫類性透水性及水穩(wěn)性較好的材料填筑路基。石料由于其優(yōu)良的工程力學(xué)特性，在填筑土石壩、公路路堤、鐵路路基等工程建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用。土石混合料的結(jié)構(gòu)特性與其材料組成，材料力學(xué)性能及各組成之間的相對位置密切相關(guān)，當組成土石混合料結(jié)構(gòu)特點的各因素發(fā)生變化時，混合料的特性也發(fā)生變化。填石路基在振動壓實時，其壓實效果主要取決于兩個因素：一是消除填石材料之間的摩擦力，使填筑材料顆粒發(fā)生相對運動，以利于填石路堤的密實度的提高；二是振動壓路機在碾壓過程中，對石料顆粒產(chǎn)生的壓力和剪切應(yīng)力。影響填石路基壓實的主要因素有，石料的級配對填石路堤壓實度的影響，壓實能量對石料壓密性的影響，壓實厚度的影響，填筑材料的顆粒破碎對壓實效果的影響，碾壓速度與碾壓遍數(shù)的影響，振動碾壓的影響。另外，高速公路土石混填路基研究中存在的問題也值得關(guān)注，這些問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面，首先國內(nèi)外的許多研究者主要針對填石方面的某些技術(shù)難點問題進行了一系列的研究和探討，但是系統(tǒng)研究高速公路中填石或者土石混填路基問題的現(xiàn)有的壓實過程和工作機理，只能解釋部分土石路基的壓實現(xiàn)象，還不能完全指導(dǎo)工程實際；從目前土石混填路基的研究現(xiàn)狀來看，最大的難點是其最大干密度的確定；目前，土石路基施工與施工質(zhì)量控制主要依靠工藝控制，人為因素較大，手段單一，尋找科學(xué)合理的施工質(zhì)量控制方法是急需解決的問題；目前在施工中主要采取外觀控制，沉降量觀測以及施工工藝管理配合質(zhì)量檢測的方法進行土石混填路基的施工質(zhì)量控制。壓實度的檢測方法來源于土質(zhì)地基的壓實控制，對土石混填路基的檢測有其適用的局限性。

四、結(jié)語

路基的工后沉降問題的研究，對保證高速公路建設(shè)質(zhì)量、正常運營以及延長公路的使用壽命具有重要的意義。為使高速公路建成通車后，確保路面的使用質(zhì)量，必須重視特殊路段地基的處治，而地基沉降計算是路基是否需要處理的重要步驟。本文介紹了路基沉降及其影響，并說明了影響填石路基的壓實因素很多，這些因素對的影響，是一個非常復(fù)雜的過程。深入研究填石路基壓實的影響因素，將有利于其在工程中的廣泛應(yīng)用。

參考文獻

[1]李剛．高速公路路基沉降及控制措施分析[J]．山西建筑，2008，（29）．

[2]熊健民，金生吉，余天慶．路基沉降試驗研究及數(shù)值模擬[J]．華中科技大學(xué)學(xué)報（城市科學(xué)版），2008，（4）．

作者簡介：郝令濤（1977－），男，山東青島人，青島市城陽區(qū)公路管理局工程師，研究方向：道路；劉贊瑄（1976－），男，山東青島人，青島市城陽區(qū)公路管理局工程師，研究方向：道路；張子明（1978－），男，青島市城陽區(qū)公路管理局工程師，研究方向：道路。