軟土地區(qū)運(yùn)營(yíng)期道路病害主要成因分析研究

高 聰 黃 玲

廣東省建筑科學(xué)研究院集團(tuán)股份有限公司 廣東 廣州 510500

1 引言

軟弱土層具有含水量高、強(qiáng)度低、壓縮性高的特點(diǎn)[1][2]，修建于軟土地區(qū)的道路，由于下臥土體的特殊性，較易誘發(fā)道路病害的產(chǎn)生[3]。在道路工程建設(shè)項(xiàng)目中，基于軟土地區(qū)的工程特性，應(yīng)考慮選取合適的地基處理方式，通過(guò)地基處理改善下臥軟弱土層的土體性質(zhì)，降低對(duì)后續(xù)工程建設(shè)的不良影響。但巖土本身就處于復(fù)雜應(yīng)力場(chǎng)中，外部荷載的變化亦會(huì)對(duì)土體造成擾動(dòng)，當(dāng)擾動(dòng)程度較大時(shí)，就會(huì)破壞原土體固結(jié)狀態(tài)，引發(fā)土體進(jìn)行二次固結(jié)，從而導(dǎo)致道路病害的產(chǎn)生。

2 工程概況

建于軟土地區(qū)的某城市道路在投入運(yùn)營(yíng)后，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)管廊帶區(qū)域填土、非機(jī)動(dòng)車(chē)道平緣石和機(jī)動(dòng)車(chē)道路面均出現(xiàn)多處開(kāi)裂、沉降等病害，如圖1所示。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查可知，道路兩側(cè)分布在建基坑項(xiàng)目，道路在完成移交后，一直作為周邊基坑項(xiàng)目的施工便道使用，長(zhǎng)期通行施工重型車(chē)輛。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)照片

3 病害成因分析過(guò)程

3.1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況

基于道路病害情況，進(jìn)行了路面破損缺陷調(diào)查、道路雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)、裂縫深度檢測(cè)，共三項(xiàng)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)工作。

（1）路面破損缺陷調(diào)查

根據(jù)《城鎮(zhèn)道路養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ36-2016），對(duì)道路路面破損狀況進(jìn)行調(diào)查，包括機(jī)動(dòng)車(chē)道、非機(jī)動(dòng)車(chē)道和人行道。主要檢測(cè)內(nèi)容為對(duì)路面的外觀狀況進(jìn)行調(diào)查，對(duì)出現(xiàn)的缺損及病害進(jìn)行檢測(cè)，記錄病害的類(lèi)型、部位、范圍、數(shù)量以及嚴(yán)重程度并拍攝相片，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行道路綜合情況評(píng)價(jià)。

其中道路瀝青混凝土路面狀況指數(shù)PCI值為81.16，路面狀況評(píng)定等級(jí)為“B”，路面損壞主要表現(xiàn)為開(kāi)裂和沉陷；人行道路面狀況指數(shù)FCI值為54.65，路面狀況評(píng)定等級(jí)為“C”，路面損壞主要表現(xiàn)為松散或變形。

（2）道路雷達(dá)無(wú)損檢測(cè)

選用中心頻率為400MHz的雷達(dá)天線(xiàn)對(duì)道路缺陷進(jìn)行探測(cè)，每個(gè)車(chē)道布置1～2條測(cè)線(xiàn)。

根據(jù)道路檢測(cè)區(qū)間的縱向測(cè)線(xiàn)檢測(cè)結(jié)果顯示，道路內(nèi)部缺陷主要存在于機(jī)動(dòng)車(chē)道處，特別是右側(cè)機(jī)動(dòng)車(chē)道，最大脫空缺陷長(zhǎng)度可達(dá)23m，最大缺陷估算深度可達(dá)1.1m。

（3）裂縫深度檢測(cè)

采用挖機(jī)開(kāi)挖道路對(duì)道路裂縫深度進(jìn)行抽樣檢測(cè)，分別選取兩處裂縫進(jìn)行開(kāi)挖，裂縫深度分別為0.50m和0.45m。

3.2 數(shù)值建模計(jì)算

采用MIDAS GTS有限元軟件，通過(guò)二維建模方法，進(jìn)行基坑支護(hù)開(kāi)挖的施工階段模擬[4]。模擬過(guò)程中，考慮各支護(hù)工序及地下水位變化的影響，計(jì)算各個(gè)階段的結(jié)構(gòu)應(yīng)力及變形情況，分析相應(yīng)工況下基坑開(kāi)挖對(duì)道路的影響。

模型邊界條件按上部自由面，底部約束水平、豎直方向位移，左、右兩個(gè)面約束水平方向位移設(shè)置。路面則視重車(chē)荷載工況要求施加豎向均布荷載。數(shù)值模型如圖2所示，計(jì)算云圖如圖3所示。

圖2 基坑剖面模型

圖3 基坑剖面變形云圖

在基坑開(kāi)挖數(shù)值模擬中，按照施工工序以及簡(jiǎn)化計(jì)算模型的需要，將整個(gè)模擬計(jì)算過(guò)程分為三個(gè)階段：初始地應(yīng)力平衡、鉆孔支護(hù)、開(kāi)挖。根據(jù)基坑監(jiān)測(cè)平面布置情況，參考基坑頂部水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)、垂直沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終監(jiān)測(cè)值為137mm，垂直沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)最終監(jiān)測(cè)值為-1.32mm。而在理論計(jì)算中，基坑頂部水平變形值為142.9mm，垂直變形值為-6.0mm。計(jì)算值與實(shí)測(cè)值相差不大，認(rèn)為本模型可以較好的模擬出基坑開(kāi)挖對(duì)周?chē)乇碜冃蔚挠绊懬闆r，計(jì)算結(jié)果具備一定的可信度。

可以看出，基坑的開(kāi)挖引起基坑左側(cè)地表的水平位移和垂直沉降，其中水平位移表現(xiàn)為土體向基坑開(kāi)挖一側(cè)變形。地表水平位移隨著與基坑邊線(xiàn)距離的增大而減小，但在機(jī)動(dòng)車(chē)道部分變化情況趨于一條平直線(xiàn)；地表垂直沉降則隨著與基坑邊線(xiàn)距離的增大先呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，后隨之減小。對(duì)于機(jī)動(dòng)車(chē)道兩側(cè)的變形值，最大水平位移為56.0mm，最大垂直沉降為-74.6mm。

4 病害成因分析結(jié)果

綜合上述現(xiàn)狀調(diào)查情況及數(shù)值建模計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合道路及周邊基坑開(kāi)挖時(shí)間線(xiàn)和位置等綜合分析排查主要病害產(chǎn)生的原因。重點(diǎn)對(duì)縱向裂縫、道路沉陷兩大道路病害，進(jìn)行病害原因排查。

（1）縱向裂縫

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知，基坑開(kāi)挖引起了道路附近土體向基坑坑內(nèi)的水平位移和垂直沉降，且在路面重車(chē)荷載作用下，會(huì)加劇道路的水平和垂直變形效果。較大的水平位移會(huì)拉斷道路結(jié)構(gòu)層，從而產(chǎn)生縱向裂縫。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果，道路存在數(shù)量較多的與行車(chē)方向一致的縱向裂縫。因此，認(rèn)為基坑開(kāi)挖引起了道路機(jī)動(dòng)車(chē)道的縱向裂縫，重車(chē)荷載作用加劇了道路形成了與行車(chē)方向一致的縱向裂縫。

（2）道路沉陷

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果，沉陷位置起始于道路與涵洞的銜接部分。但該病害斷面所對(duì)應(yīng)的基坑施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在監(jiān)測(cè)期間，有沉降變形，但未超出限值，表明基坑開(kāi)挖會(huì)引起基坑周邊土體的垂直沉降，但影響程度較小。受施工工藝影響，可能存在涵洞道路銜接段回填土夯實(shí)較差，從而在重車(chē)荷載作用下產(chǎn)生了附加沉降。因此，認(rèn)為道路沉陷是由于道路涵洞銜接段的施工工藝缺陷[5]，導(dǎo)致回填土夯實(shí)度較差，從而在重車(chē)荷載作用下產(chǎn)生沉降變形。此外，基坑開(kāi)挖也對(duì)道路沉陷有一定的影響。

5 總結(jié)

由于道路工程的特殊性，其病害產(chǎn)生的原因往往錯(cuò)綜復(fù)雜。對(duì)于軟土地區(qū)的運(yùn)營(yíng)期道路，除了一般性病害，更易受下臥土層狀態(tài)的影響而產(chǎn)生病害。因此在進(jìn)行軟土地區(qū)道路病害的成因分析時(shí)，應(yīng)著重從周?chē)h(huán)境對(duì)土地的擾動(dòng)性入手，結(jié)合檢測(cè)技術(shù)和數(shù)值建模理論，對(duì)病害產(chǎn)生原因科學(xué)分析論證。