改擴(kuò)建高速公路路基不均勻沉降的影響因素分析

向 堯，曾 顏

（1.湖南省張家界市交通建設(shè)工程造價(jià)管理站，湖南張家界427000；2.長(zhǎng)沙理工大公路工程試驗(yàn)檢測(cè)中心，湖南長(zhǎng)沙410000）

1 概述

高速公路對(duì)于地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展有著至關(guān)重要的作用，快速、便捷、高效的高速公路網(wǎng)絡(luò)，是不同地區(qū)之間經(jīng)濟(jì)發(fā)展的關(guān)鍵所在，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，交通運(yùn)輸行業(yè)也在不斷的發(fā)展，各種運(yùn)輸車的數(shù)量也在不斷地增加，導(dǎo)致我國(guó)部分高速公路通行能力嚴(yán)重不足，因此，高速公路的改擴(kuò)建工程十分的艱巨。對(duì)于高速公路改擴(kuò)建而言，路基的擴(kuò)建尤為的關(guān)鍵，因?yàn)閿U(kuò)建路基與原有路基的交界處通常會(huì)出現(xiàn)不均勻沉降的問(wèn)題，該問(wèn)題嚴(yán)重影響高速公路的施工質(zhì)量，因此，對(duì)改擴(kuò)建高速公路路基不均勻沉降影響因素的分析具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。

針對(duì)改擴(kuò)建道路不均勻沉降問(wèn)題，我國(guó)部分學(xué)者進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，取得一定的成果。例如：鄭曉翔[1]以雙線評(píng)高速為例，探究水泥混凝土高速公路擴(kuò)建工程的質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，分別在基層防水、防雨與排水以及填料壓實(shí)等3個(gè)方面對(duì)路基沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)；郭振家、賈榮曉[2-3]等對(duì)不同類型的路基擴(kuò)建拼接問(wèn)題進(jìn)行了研究，得到不同的拼接類型下路基的沉降監(jiān)測(cè)值，發(fā)現(xiàn)分離式改擴(kuò)建路基其產(chǎn)生的不均勻沉降值較??；孫民剛、趙永成[4-5]等以葉信高速公路改擴(kuò)建工程為依托，認(rèn)為新舊路基的拼接過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)著重做好防水處理，這是控制新舊路基不均勻沉降的關(guān)鍵。根據(jù)上述研究成果可知，目前針對(duì)改擴(kuò)建路基不均勻沉降問(wèn)題的研究主要針對(duì)于施工設(shè)計(jì)以及質(zhì)量監(jiān)控，而對(duì)于產(chǎn)生不均勻沉降的機(jī)理以及影響因素的研究較少，因此本文以武靖高速公路為例，以路基有效理論為依據(jù)，運(yùn)用有限元計(jì)算軟件分析多種路基拓寬形式下，其不均勻沉降的分布規(guī)律，對(duì)高速公路改擴(kuò)建工程中的不均勻沉降控制具有一定的指導(dǎo)意義。

2 理論依據(jù)

有效應(yīng)力理論是計(jì)算路基沉降的基礎(chǔ)理論，對(duì)于土體任意截面而言，截面所受的總應(yīng)力σ主要有土顆粒之間的有效應(yīng)力與土顆粒間隙之間的水以及空氣產(chǎn)生的孔隙應(yīng)力組成，其有效應(yīng)力公式如式（1）[6]：

式中：σ——土顆粒之間的總應(yīng)力；

σ′——土顆粒之間的有效應(yīng)力；

μa——空隙中空氣產(chǎn)生的應(yīng)力；

μw——土顆粒之間孔隙中水產(chǎn)生的應(yīng)力。

式中：F——土體假設(shè)截面的面積；

Fw——顆粒之間的接觸面積。

3 模型建立與計(jì)算方案的確定

3.1 模型建立

根據(jù)武靖高速公路的改擴(kuò)建工程實(shí)際情況，該路段的擴(kuò)建路基的填筑高度H為4～8m，路基坡比為1∶1.5。原有路基的寬度為24m，路面寬度為12m，路基加寬的形式有2種：一種為路基單側(cè)加寬見(jiàn)圖1，路基的底部與頂部分別加寬12m；另一種為雙側(cè)加寬見(jiàn)圖2，原有路基兩側(cè)的頂部與底部加寬6m。對(duì)原有路基土體以及新填筑土體進(jìn)行室內(nèi)外實(shí)驗(yàn)，得到土體的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 路基單側(cè)加寬計(jì)算模型

圖2 路基雙側(cè)加寬計(jì)算模型

表1 土體參數(shù)

3.2 計(jì)算方案

為探究改擴(kuò)建路基不均勻沉降的影響因素與分布規(guī)律，同時(shí)根據(jù)武靖高速公路的實(shí)際情況，在規(guī)定擴(kuò)建路基寬度不變的情況下，確定計(jì)算方案。首先在數(shù)值計(jì)算軟件Geo-studio中的Sigma模塊中建立2種路基加寬形式的模型，將路基的填筑高度分別設(shè)置為4m、6m、8m，并在路基模型表面設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以便監(jiān)測(cè)路基表面的沉降值，檢測(cè)時(shí)間設(shè)置為150d。

4 計(jì)算結(jié)果分析

圖3為單側(cè)路基加寬形式下監(jiān)測(cè)時(shí)間為150d時(shí)路基的沉降曲線，通過(guò)該圖可知：原有路基的沉降值可以忽略不計(jì)，填方路基的沉降值較大；當(dāng)距離原有路基的位置相同時(shí)，填方路基沉降值隨著填筑高度的增加而增大；相同的填筑高度H時(shí)，距離原有路基越遠(yuǎn)其沉降值越大。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：原有路基修筑的時(shí)間長(zhǎng)，前期在車輛荷載與自然環(huán)境的影響下，其自身的固結(jié)沉降已經(jīng)完成，所以后期使用中基本不會(huì)出現(xiàn)沉降；距離原有路基越遠(yuǎn)或者填筑高度越大，其填方路基的厚度越大，其自身固結(jié)沉降的范圍也就越大。

圖4為當(dāng)填方單側(cè)路基加寬形式下最大沉降值隨時(shí)間的變化曲線，通過(guò)該圖可以得到，路基在150d時(shí)的最大沉降值為0.057m，當(dāng)沉降20d時(shí)其沉降值為0.027m，占總沉降值的47.4%，當(dāng)沉降50d時(shí)其沉降值達(dá)到了0.046m，占總沉降值的80.7%，而隨后沉降100d其沉降值不足總沉降值的20%，說(shuō)明路基在填筑完成初期其沉降值增長(zhǎng)較為明顯，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)其沉降值的增加量越來(lái)越小。對(duì)單側(cè)加寬路基的沉降值進(jìn)行分析得到，其值與沉降時(shí)間呈對(duì)數(shù)關(guān)系，擬合得到的公式為：y=0.0125ln(x)-0.0059 ，其中R2=0.9601。

圖3 單側(cè)路基加寬形式下的沉降曲線

圖5 所示沉降時(shí)間為150d時(shí)雙側(cè)路基加寬形式下的沉降曲線，通過(guò)該圖可以得到：原有路基的基本上不存在沉降，填方路基存在明顯的沉降，并且沉降值以道路中心線為基準(zhǔn)對(duì)稱分布；距離道路中心線相同的位置，填方路基高度越大其沉降值也就越大，同時(shí)，距離路基中心線越遠(yuǎn)其沉降值也就越大，這與單側(cè)路基加寬形式下的沉降值分布規(guī)律基本一致。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因是：原有路基在前期使用過(guò)程中，在車輛荷載以及環(huán)境作用下，其自身的沉降變形已基本完成；距離道路中心線越遠(yuǎn)路基的填土厚度就越大，其沉降的預(yù)留空間也就越大。

圖4 單側(cè)路基加寬形式下最大沉降值隨時(shí)間的變化曲線

圖5 雙側(cè)路基加寬形式下的沉降曲線

圖6 為雙側(cè)路基加寬形式下最大沉降值隨時(shí)間的變化曲線，路基在填筑完成初期其沉降值增長(zhǎng)較為明顯，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)其沉降值的增加量越來(lái)越小。當(dāng)將沉降時(shí)間為20d時(shí)，單側(cè)加寬路基最大沉降值與雙側(cè)加寬路基最大沉降值分別為0.027m、0.023m，同樣，當(dāng)沉降時(shí)間為150時(shí)，兩者的最大沉降值分別為0.057m、0.049m，說(shuō)明當(dāng)總體加寬長(zhǎng)度一樣時(shí)，采用雙側(cè)加寬路基的形式，可以有效地減少路基的最大沉降量。對(duì)雙側(cè)加寬路基的沉降值進(jìn)行分析得到，其值與沉降時(shí)間呈對(duì)數(shù)關(guān)系，擬合得到的公式為：y=0.0116ln(x)-0.0062，其中R2=0.9544。

圖6 雙側(cè)路基加寬形式下最大沉降值隨時(shí)間的變化曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著改擴(kuò)建高速公路的逐漸增多，其新舊路基的不均勻沉降問(wèn)題日益突出，因此，對(duì)改道路擴(kuò)建工程中路基不均勻沉降的影響因素與分布規(guī)律進(jìn)行研究具有現(xiàn)實(shí)意義，本文得到的主要結(jié)論如下：

（1）距離原有路基越遠(yuǎn)，填方路基的沉降值越大；填方路基的填筑高度越大，相同情況下其沉降值也就越大。

（2）當(dāng)路基加寬長(zhǎng)度一定時(shí)，雙側(cè)加寬路基的形式與單側(cè)加寬路基的形式相比，前者可以有效地減少路基的最大沉降量。

（3）填方路基施工完成后，前期沉降值增長(zhǎng)較為明顯，隨后增長(zhǎng)值逐漸減小，且填方路基的沉降值與沉降時(shí)間服從對(duì)數(shù)分布。

[1] 鄭曉翔,黃翠云.公路拓寬改建工程路基施工技術(shù)實(shí)際應(yīng)用研究[J].黑龍江交通科技,2013（11）:35-36.

[2] 郭振家,萬(wàn)俊坡.公路路基改擴(kuò)建工程拼接技術(shù)探討[J].技術(shù)與市場(chǎng),2016,23（7）:167，169.

[3] 賈榮曉.高速公路改擴(kuò)建路基路面施工期間交通組織方案[J].交通世界,2016（18）:16-17.

[4] 孫民剛,潘國(guó)強(qiáng),崔穎超,等.高速公路路基拓寬新老路基搭接施工技術(shù)[J].中外公路,2007,27（4）:40-42.

[5] 趙永成.高速公路改擴(kuò)建新舊路基銜接技術(shù)[J].交通世界,2016（17）:4-5，136.

[6] Terzaghi K.Erdbaumechanik and Bodenphysikalischer Grund?lage,Lpz.Deuticke,1925.