淺析高填方路堤沉降變形模式及成因機(jī)制

李 駿 黨安玉

高路堤的穩(wěn)定直接表現(xiàn)為路基的沉降,國內(nèi)外學(xué)者[1,2]對路基沉降問題的研究重點(diǎn)之一就是高填方路堤沉降計(jì)算和預(yù)估方法。首先必須對填土的工程性質(zhì)有充分的認(rèn)識,在此基礎(chǔ)上,對高路堤穩(wěn)定與變形性狀進(jìn)行系統(tǒng)深入地研究,才能建立不同形式高填方路堤沉降變形破壞機(jī)制及相應(yīng)的計(jì)算與預(yù)測方法,本文對沉降變形模式及成因機(jī)制兩方面作了系統(tǒng)的闡述。

1 高填方路堤沉降變形模式

1)填料壓實(shí)度不足。路基施工時,天氣太干燥,局部路基填料粉碎不足,致使路基壓實(shí)度不均勻;暗埋式構(gòu)造物處因構(gòu)造物長度限制使路基邊緣不能超寬碾壓,致使路基邊緣壓實(shí)度不夠;有些超車道與行車道拼接段不同步施工,且拼接處理得不好;在路基施工中,當(dāng)路基施工到一定高度以后,路基邊緣土體往往存在壓實(shí)度不足問題。這些情況都會導(dǎo)致路基發(fā)生不均勻沉降。由于壓實(shí)度不足,往往導(dǎo)致填方路基的不均勻沉降變形(見圖1),路基兩側(cè)出現(xiàn)縱向裂縫。

2)地基中存在軟弱土層。軟弱土層本身力學(xué)性能差,在具有一定厚度的條件下,在附加應(yīng)力作用下,會發(fā)生固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降和側(cè)向塑性擠出,導(dǎo)致明顯的沉降變形。

某高速公路A段和B段發(fā)生明顯的不均勻沉降變形和破壞,其地基中存在軟弱土層,其主要物理力學(xué)性能差,填筑土路堤之下具有天然含水率高(大于塑限,接近液限),天然孔隙比大(＞1.0),壓縮系數(shù)高(＞0.5 MPa-1,屬高壓縮性土),抗剪強(qiáng)度低(快剪:C＜27 kPa,φ＜58),承載力低(標(biāo)準(zhǔn)值小于907 kPa)等特點(diǎn)。非填筑區(qū)的地基軟土,其物理力學(xué)性能比填筑區(qū)的同類土更差,這可能與填筑區(qū)的地基土經(jīng)歷了高速公路建設(shè)和運(yùn)營中在外部荷載(填筑體和車載)作用下的壓縮固結(jié)過程,其性能有所改善有關(guān)。

一般來說,土層的天然含水量越高、天然孔隙比越大,則壓縮系數(shù)越大、承載力越低,則路基的沉降量和沉降差越大;抗剪強(qiáng)度和承載力越低,則側(cè)向塑性擠出甚至局部坍滑的可能性越大。

該段地基土體中軟土層還具有厚度、埋深、填筑土高度和寬度都大的特點(diǎn)。在高速公路中央分隔帶上,除A段ZK10和B段ZK21,ZK22三個鉆孔因位于原基巖裸露區(qū)未見軟土層外,其余鉆孔的軟土層的頂板埋深6.90 m～12.80 m,底板埋深14.9 m～28.5 m,厚度為5.5 m～17.60 m(一般都在8 m以上)。軟土層埋深較大,但經(jīng)計(jì)算,均在壓縮層深度范圍以內(nèi)(從填筑土層底部算起)。

比較這兩段沉降量等值線圖和淤泥質(zhì)黏土等值線圖,可見,淤泥質(zhì)黏土厚度大的地方,沉降量一般都比較大。

進(jìn)一步的調(diào)查發(fā)現(xiàn),該兩段路堤填筑區(qū)即是溝谷谷地所在區(qū)。這些部位在筑路前就是地勢低洼、地面平坦、坡降較小、積水嚴(yán)重的地方,當(dāng)?shù)厝嗽谶@些地方種植水稻時都需要扁擔(dān)或谷草墊在其上才能載人,俗稱”爛板田”。在路堤建設(shè)初期,多采用碎塊石堆填、碾壓、局部夯填進(jìn)行處治。路堤建成后就開始出現(xiàn)沉降變形和路基土擠出等現(xiàn)象。筑路后地表水只能從斷面很小的涵洞向谷地下游排泄,雨季必然排水更為不暢,地下水則更難以自然排泄。近期的勘探發(fā)現(xiàn),路堤填土層之下的路基土層均位于地下水位之下,處于軟塑、局部流塑狀態(tài),至今仍繼續(xù)沉降變形。這說明,地表水和地下水自然排泄困難,地基土未能固結(jié),是地基土產(chǎn)生過強(qiáng)沉降和沉降差的重要原因(見圖2)。

碳酸鹽巖地區(qū),路基下有時分布有巖溶洼地或漏斗,其中的沉積物松軟,在行車動載的作用下,沉積物壓實(shí),側(cè)向流動和下陷,造成路基沉陷,如圖3所示。在昆明—瑞麗公路K2415+800 m段有一處屬這種類型。

3)路基剛度差異顯著。很多情況下,單從施工控制角度來說,地基處理滿足要求,路堤壓實(shí)度也能夠滿足設(shè)計(jì)要求,在路基及地基均勻時,路基沉降滿足《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》要求,而且也不會導(dǎo)致路面開裂。但是,如果沿路基縱向或橫向路基綜合剛度相差過大,在路面動載等作用下,也會引起明顯的差異沉降,導(dǎo)致路面裂縫。屬于這種情況的有:橋頭與路基交接處,挖填交接處,填土厚度明顯變化處,路基中埋設(shè)構(gòu)筑物(如涵洞)處,地基性質(zhì)差別較大處。結(jié)構(gòu)物剛度差異誘發(fā)的沉陷結(jié)構(gòu)物的剛度不同是形成差異沉降的基本原因。橋臺屬剛性,沉降量極小,路基屬柔性,沉降量大,剛?cè)嶂g必然存在沉降差。這是誘發(fā)橋頭明顯沉陷的客觀原因。

2 高填方路堤失穩(wěn)變形誘因

2.1 工程地質(zhì)與地形

當(dāng)路堤穿過溝谷時,溝谷中心往往填土高度最大,向兩端逐漸降低,在路堤橫斷面上,往往迎水面填土高度小于背水面。這樣也將由于填土高度不同而可能產(chǎn)生不均勻下沉,使路堤縱斷面方向路面中間低,兩頭高,橫斷面方向的路肩一側(cè)高一側(cè)低。原地基承載力差、土質(zhì)天然密實(shí)度低,加壓時具有較大變形和可壓縮性。一個平均高度為20.0 m的高路堤,填土密度為2.20 g/cm3,地表層單位應(yīng)力為431 kPa。再加上車輛的換算荷載,地表層的平均應(yīng)力還要大一些,這樣就使原來那些認(rèn)為是優(yōu)良地基的部分也變?yōu)椴涣嫉鼗?造成路基沉降。

2.2 水文與氣候

如降雨量過大、洪水猛烈、干旱、冰凍、積雪或溫差過大等,都可能使路基填土(土石混合料、填石)中的細(xì)粒料流失,產(chǎn)生不均勻下沉。路基和路面的第一大損壞因素,是水的侵入和沖刷造成的損壞。我國大部分地區(qū)夏季、秋季暴雨集中、強(qiáng)度大,對高填方路堤施工非常不利。因此在冬、春季形成的高填方路堤,由于少雨、缺水難以保證最佳含水量,難以達(dá)到壓實(shí)要求,土的孔隙大。等到路槽形成時,又多在夏季和秋季,必然要遭受強(qiáng)暴雨的沖刷損壞。即使是路面形成后,當(dāng)路面排水不善時,雨水侵入路堤,造成土路基浸水和軟化,局部下沉塌陷,導(dǎo)致路面早期損壞。

2.3 路基填料自身原因

對于采用土石混填路堤,因土石混合料中土石比的不同,其工程性質(zhì)相差甚遠(yuǎn),如果土石混合料中土石比例不合適,將導(dǎo)致其強(qiáng)度降低,壓縮性增大,在路基施工和運(yùn)營期間產(chǎn)生較大的沉降變形。若土石混合料中混入了種植土、腐殖土或泥沼土等劣質(zhì)土,或土中含有未經(jīng)打碎的大塊土等,由于這類土中有機(jī)物含量多、抗水性差、強(qiáng)度低等特性的作用,路堤將出現(xiàn)塑性變形或沉陷破壞。生產(chǎn)土石混合料或填石的巖石性質(zhì)不一、級配不勻或就地爆破堆積,造成填料空隙率增大。這樣,在一定期限內(nèi)(例如經(jīng)過一個雨季)可能產(chǎn)生局部的明顯下沉。

2.4 路基防護(hù)工程不同步和防護(hù)工程不完善

高填方路堤路槽形成的時候,也是其最脆弱、最容易受暴雨毀壞的時候。對于填高5 m以上的路基,施工期間一般至少要經(jīng)過一次夏季暴雨沖刷過程,而現(xiàn)在的高填方路堤一般施工方法均是超寬填筑,再刷坡,然后再防護(hù),加上填筑土質(zhì)易被沖刷,由于防護(hù)和路基施工的不同步,造成土路堤暴露,被暴雨沖刷。

3 結(jié)語

高填方路堤失穩(wěn)變形的主要表現(xiàn)形式為路基不均勻沉降變形和邊坡失穩(wěn),其失穩(wěn)變形特征可以歸納為以下幾點(diǎn):1)路基填土壓實(shí)度不足,填土的先期固結(jié)壓力小于自重應(yīng)力,填土將在自重作用下,繼續(xù)沉降,直至先期固結(jié)壓力等于自重應(yīng)力。2)地基土體中存在飽和軟土層時,由于滲透固結(jié)和次固結(jié)需要一個較長時間,在公路通車后的一個較長時間內(nèi),沉降會持續(xù)進(jìn)行。地基由于處理不當(dāng)會導(dǎo)致不均勻沉降,引起路面病害。3)路基剛度差異,在車載等動態(tài)荷載下,在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)可能造成較大的附加不利應(yīng)力,導(dǎo)致路面破壞。剛度較小的路基也可能因車載作用發(fā)生明顯沉降。4)路基不均勻沉降的時空變化特征表明:一般沉降中心及附近處,不均勻沉降持續(xù)發(fā)展,沉降變形隨時間的發(fā)展有三種類型,即漸趨穩(wěn)定型、等速發(fā)展型和加速型。

[1] 欒茂田.關(guān)于巖土工程中若干基本力學(xué)問題的思考[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),1999,39(2):309-317.

[2] 龔曉南.21世紀(jì)巖土工程發(fā)展展望[J].巖土工程學(xué)報(bào),2000,22(2):238-242.

[3] 何益祥.路基沉降預(yù)測分析[J].山西建筑,2008,34(4):288- 289.