公路拓寬路基差異沉降規(guī)律現(xiàn)場試驗研究

劉廣波 王 喆 王 珂 張宏博 陳月霞

(1.山東高速股份有限公司，山東 濟南 250000； 2.山東大學(xué),山東 濟南 250000; 3.山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山東 濟南 250000)

0 引言

濟青高速公路改擴建工程路線全長309.2 km，原有高速公路為雙向四車道，拓寬方式以“兩側(cè)拓寬為主、局部單側(cè)或兩側(cè)分離拓寬為輔”，改擴建完成后為雙向八車道，拓寬后標(biāo)準路基寬度42 m，拓寬后的濟青高速設(shè)計通行能力顯著上升，將極大的緩解交通擁堵的情況，對帶動沿線城市經(jīng)濟發(fā)展具有重大的意義。

雖然近年來我國已經(jīng)對多條高速公路進行了改擴建施工，但是在拓建項目的研究分析過程中發(fā)現(xiàn)，拓建項目的難度遠遠大于新建項目。其主要原因是擴建項目必須在原有老路存在的基礎(chǔ)之上建設(shè)，這就增加了很多的約束性，在一些已完成改擴建的高速公路中出現(xiàn)了一些嚴重影響運營的問題，路面、路基出現(xiàn)開裂、大面積下沉等現(xiàn)象。由于目前高速公路改擴建從設(shè)計到施工仍沒有完善的規(guī)范和施工方法可循，因此對于高速公路拓寬工程，有關(guān)差異沉降的控制關(guān)鍵技術(shù)還存在很多問題亟待解決。

本文通過開展改擴建工程拓寬路基現(xiàn)場試驗，研究了改擴建公路拓寬路基差異沉降規(guī)律。分析了不同處治措施下路基差異沉降變化規(guī)律，課題研究成果的取得可為類似工程提供參考和借鑒意義。

1 試驗路段處治方案

現(xiàn)場試驗路段為跨鐵路高填方路段，路基填筑段高度7.8 m，其中過渡段高度7.8 m～11.8 m，為減小新舊路基差異沉降，該路段加固設(shè)計方案包括CFG樁復(fù)合地基和土工格室，并配合傳統(tǒng)老路基削坡與臺階開挖施工方案，詳細加固方案如下：

1)CFG樁網(wǎng)式復(fù)合地基。

CFG樁樁長為15 m，樁徑為0.4 m，采用三角形布置形式。樁間距分別為1.3 m，1.4 m，1.5 m共三種。樁頂填筑0.4 m厚碎石墊層和0.3 m厚土層，壓實后鋪設(shè)土工格室并填筑上部路基。

2)削坡與開挖臺階。

除CFG樁復(fù)合地基和土工材料加固措施之外，試驗路段還采用傳統(tǒng)的削坡開挖臺階，削坡厚度不小于30 cm，臺階開挖寬度不小于1 m，高度不小于0.8 m，自下而上對老路基，控制臺階表面內(nèi)傾角為2%～4%。為保證開挖臺階不影響老路基穩(wěn)定性，在臺階開挖過程中，及時進行回填土。

2 現(xiàn)場試驗

2.1 現(xiàn)場試驗?zāi)康?/h3>

由于改擴建公路拓寬工程有不同的現(xiàn)場條件、復(fù)雜的土質(zhì)條件以及相應(yīng)的理論支撐，所以即使根據(jù)不同的路基高度制定了相應(yīng)的處治方案，但是處治效果如何很難去評測。因此，本現(xiàn)場試驗的目的主要通過分析現(xiàn)場實測得到的數(shù)據(jù)，進而評價不同處治方案在改擴建公路工程中的適用性，從而為方案設(shè)計提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)參考，優(yōu)化方案設(shè)計。

通過勘察地質(zhì)資料以及工程設(shè)計資料，選擇重點觀察路段和普通觀察路段測試數(shù)據(jù)進而分析改擴建拓寬路基差異沉降規(guī)律以及不同地基處置方案下新建路基的沉降規(guī)律，指導(dǎo)后續(xù)施工。表1為地質(zhì)條件匯總表，表2為各試驗段參數(shù)匯總表。

表1 地質(zhì)條件匯總

表2 各試驗段參數(shù)匯總

2.2 現(xiàn)場試驗方案

本現(xiàn)場試驗監(jiān)測主要內(nèi)容包括相同處置方案下新建路基橫向沉降規(guī)律以及不同處置方案下新建路基沉降規(guī)律，為保證監(jiān)測結(jié)果的準確性并考慮工后的連續(xù)監(jiān)測，綜合比較其他傳統(tǒng)位移和沉降監(jiān)測方法，本試驗中埋設(shè)剖面沉降管監(jiān)測路基沉降，配合使用JMZX-3001綜合測試儀采集沉降數(shù)據(jù)，如圖1所示，其工作機理為：通過探頭在剖面沉降管中沿內(nèi)槽滑動測量得到探頭長度范圍內(nèi)測斜管傾角，根據(jù)自身長度計算得出前后兩端沉降差，依次累積得到整個橫斷面的沉降變形規(guī)律。沉降管沿路基橫斷面通長布設(shè)，并深入老路基內(nèi)部2 m～3 m。其埋設(shè)方案和具體埋置過程見圖1和圖2。

剖面沉降管埋設(shè)方案如圖3所示。

3 拓寬路基差異沉降規(guī)律研究

3.1 新建地基沉降變形規(guī)律

圖4為普通路段填筑過程中新建路基沉降變形規(guī)律。由圖1可知：

在整個路基填筑過程中，新建路基沉降變形規(guī)律基本一致，即沿著路基橫斷面方向，隨著距新建坡腳處距離越大，地基表面沉降量近似呈線性增加，在距坡腳11 m處即新建路基橫斷面型心處沉降量達到最大，隨后沉降表現(xiàn)為平穩(wěn)狀態(tài)；隨著路基填土高度的增大，整個橫斷面地基表面沉降量均增大，且地表沉降增幅與路基填筑高度有關(guān)。在路基填土高度達到7.8 m后，沉降較長一段時間內(nèi)，橫斷面各位置處地表沉降仍在增加，但沉降量增幅較小，最終最大沉降為49.91 mm。造成這一規(guī)律的主要原因是在堆載過程中地基土壓縮引起的路基沉降占主要部分，地基堆載完成后壓縮變形逐漸減小但其內(nèi)部固結(jié)沉降仍在發(fā)生，相比壓縮變形固結(jié)沉降量較小但持續(xù)時間較長，因此填筑完成后沉降速率變緩，這一監(jiān)測結(jié)果也驗證了本試驗方案選取的監(jiān)測方法真實可靠。

3.2 不同地基處治方式下新建地基沉降變形規(guī)律

通過圖5有樁路段以及無樁路段地基表面沉降量對比發(fā)現(xiàn)：有樁路段以及無樁路段地基橫斷面沉降規(guī)律相同，即從坡腳至路基中心位置呈現(xiàn)先線性增大后趨于平緩，該監(jiān)測結(jié)果表明地基沉降形式的體現(xiàn)主要受上部新建路基附加荷載的分布影響，與地基處治方式無關(guān)。在相同路基填土高度時，CFG樁處治后，地基沉降顯著減小，其中無樁路段最大沉降量為49.41 mm，有樁路段最大沉降量為38.1 mm，CFG樁的應(yīng)用使地基表面沉降量較普通路段減小了約23%。

3.3 不同樁距下新建地基沉降變形規(guī)律

選取K197+630～K197+660填土高度相同CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基路段，得到不同樁間距下新建路基最大沉降變化規(guī)律以及最大差異沉降變化規(guī)律見圖6，圖7。K197+630采取樁間距為1.3 m，K197+645樁間距為1.4 m，K197+660樁間距為1.5 m。

1)由圖6可知，隨著樁間距的增大，路基最大沉降量增大。樁間距為1.5 m時，最大沉降量為44.91 mm，樁間距為1.3 m時，最大沉降量為42.69 mm，由此可見，隨著樁間距的減小，最大沉降量僅減少5%。

2)由圖7可知，隨著樁間距的增大，路基最大差異沉降量增大。樁間距為1.5 m時，最大差異沉降量為38.21 mm，樁間距為1.3 m時，最大沉降量為37.73 mm，由此可見，隨著樁間距的減小，最大沉降量僅減少2%。

3)根據(jù)以上沉降監(jiān)測結(jié)果可知，增設(shè)CFG樁后整個橫斷面范圍內(nèi)地基沉降變形可顯著減?。浑m然隨著樁間距的減小，路基沉降也在減小，但樁間距改變對控制地基沉降效果并不明顯。因此考慮到建設(shè)成本，在CFG樁設(shè)計時，可適當(dāng)增加樁間距，或者沿路基橫斷面方向，由路基中心至新建路基坡腳處，樁間距可逐漸增大。

4 結(jié)論與建議

1)新建高速公路沉降規(guī)律表現(xiàn)為：沿著路基橫斷面方向，地基沉降呈現(xiàn)先增大后趨于平緩的規(guī)律，最大沉降量位于新建路基橫斷面型心處；且地基表面沉降變形量與路基土填筑高度成正相關(guān)；路基土填筑完成前，地基壓縮變形占主要部分，填筑完成后地基沉降仍在增加，但沉降速率變緩，且主要是地基固結(jié)沉降。

2)CFG樁網(wǎng)復(fù)合地基處治后地基，其橫斷面沉降規(guī)律與普通路段基本一致，處治后的地基沉降量減小約23%。

3)地基沉降變形隨樁間距的減小逐漸減小，但樁間距改變對控制地基沉降效果并不明顯，在樁網(wǎng)復(fù)合地基設(shè)計時，不應(yīng)以樁間距作為主要控制目標(biāo)，或適當(dāng)增大樁間距以減小工程建設(shè)成本。