高速公路路基拓寬不均勻沉降監(jiān)測(cè)與分析

柳建明

（山西路橋第二工程有限公司，山西 臨汾 041000）

0 引言

由于近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，車輛大型化，交通量增長(zhǎng)遠(yuǎn)超預(yù)期，很多早期建設(shè)的高速公路已不能適應(yīng)交通運(yùn)輸?shù)囊?，急需進(jìn)行拓寬改建。高速公路改擴(kuò)建工程一般采用加寬路基的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)與施工，施工中新舊路基沉降變形存在較大的差異性。新建路基由于與舊路基情況不同，在施工過程中和通車后會(huì)出現(xiàn)較大的沉降，與舊路基沉降存在較大差異，導(dǎo)致路基出現(xiàn)不均勻沉降。因此，高速公路拓寬改造工程要重點(diǎn)對(duì)路基的不均勻沉降進(jìn)行預(yù)防和處治，尤其是對(duì)軟弱地基路段必須進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)?；谏轿魇?nèi)某高速公路的拓寬改造工程實(shí)踐，對(duì)原有舊路基、新舊路基結(jié)合處和新路基的沉降進(jìn)行了觀測(cè)，分析了拓寬后原有舊路基與新路基的沉降情況，對(duì)其沉降變形隨時(shí)間的變化情況進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，分析了兩個(gè)監(jiān)測(cè)段路基不同部位的累計(jì)沉降變化規(guī)律，對(duì)拓寬后的路基施工質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估。

1 工程概況

山西省內(nèi)某高速公路為早期建設(shè)，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車道。由于近年來(lái)交通量增長(zhǎng)迅速，且向車輛大型化發(fā)展，原有路面結(jié)構(gòu)已不能滿足日益增長(zhǎng)的行車要求，擬進(jìn)行拓寬擴(kuò)建改造工程。設(shè)計(jì)采用兩側(cè)拓寬，擴(kuò)建后按照雙向八車道、四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行建設(shè)，全線長(zhǎng)度44 km。

該路段不良地質(zhì)主要為軟土和濕陷性黃土，其中軟土主要分布在K23+430—K26+640、K30+220—K34+450、K36+550—K38+240 等路段。該路段的軟土主要呈深灰色，主要成份為淤泥和粉質(zhì)黏土，具有易被壓縮、含水量高、強(qiáng)度低等特點(diǎn)。濕陷性黃土主要分布在K9+380—K12+620、K15+330—K17+240、K27+150—K28+980、K40+110—K41+350 等 路 段。該路段濕陷性黃土顏色為黃褐色，具有可塑性，內(nèi)部孔隙發(fā)育，導(dǎo)水性強(qiáng)，弱濕陷性等工程特點(diǎn)，土層分布厚度一般為0.8～3.1 m，最厚處達(dá)4.2 m。施工路段地下水位較高，且存在上層滯水。

2 改擴(kuò)建路基拓寬差異沉降計(jì)算方法分析

2.1 理論基礎(chǔ)

高速公路路基拓寬施工后，原有舊路基與新路基的沉降存在很大的差異性，雖然在施工過程中采取了加固措施，但是二者的沉降仍然存在明顯的差異。原有舊路基在運(yùn)營(yíng)使用一段時(shí)間后，其固結(jié)沉降已基本完成。在高速公路路基進(jìn)行拓寬施工過程中，由于改變了舊路基上原有的荷載作用，造成舊路基出現(xiàn)了第二次沉降變形。同時(shí)，新建路基只在自重作用下，至施工結(jié)束前所產(chǎn)生的沉降稱為第一次沉降；完工后，在自重和車輛荷載的復(fù)合作用下，新建路基所產(chǎn)生的沉降稱為第二次沉降[1]。

2.2 拓寬路基差異沉降計(jì)算方法

對(duì)拓寬路基差異沉降計(jì)算方面的研究，主要包括最大差異沉降計(jì)算和路基沉降隨時(shí)間的變化規(guī)律[2]?，F(xiàn)階段，對(duì)最大差異沉降計(jì)算的研究已比較成熟，預(yù)估的誤差較小。而對(duì)路基沉降隨時(shí)間的變化規(guī)律的研究還有些欠缺，由于不同填土物理性質(zhì)的差異、施工工藝的差異較大，尚不能形成統(tǒng)一的結(jié)果。目前對(duì)拓寬路基差異沉降的研究通常采用反分析法，即通過沉降監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出經(jīng)驗(yàn)公式，進(jìn)而推斷隨時(shí)間變化路基沉降的變化規(guī)律。在工程實(shí)踐中通常采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)法進(jìn)行路基沉降計(jì)算，確定路基主固結(jié)沉降，主要計(jì)算方法和計(jì)算公式如下。

通過對(duì)e-p 曲線進(jìn)行分析，分析確定主固結(jié)沉降計(jì)算公式如式（1）：

式中：n 為路基沉降分層計(jì)算的層數(shù)；Δhi為路基分層后第i 層厚度，一般為0.5～1.0 m；eoi為路基分層與第i 層路基土自重穩(wěn)定以后的有關(guān)孔隙比；eli為路基分層與第i 層路基土在附加荷載及自重穩(wěn)定以后的有關(guān)孔隙比。

選取壓縮模量作為研究對(duì)象，分析確定主固結(jié)沉降計(jì)算公式如式（2）：

式中：ΔPi為第i 層路基分層中點(diǎn)應(yīng)力增值；Esi為第i 層路基分層壓縮模量值；Δhi為第i 層路基分層厚度，一般為0.5～1.0 m。

以上計(jì)算方法主要以每層沉降變形作為分析對(duì)象，沒有充分考慮各土層之間的相互作用，因此得出的計(jì)算結(jié)果會(huì)存在較大的誤差。結(jié)合路基實(shí)際情況，進(jìn)行總結(jié)分析，充分考慮各土層之間的相互作用，得出了較為準(zhǔn)確的計(jì)算公式，計(jì)算方法如式（3）：

式中：S工后為路基施工后的總沉降量；S新總為新建路基的總沉降量；S舊總為舊路基的總沉降量；U't為拓寬施工之前的舊路基固結(jié)度；Ut為拓寬施工之后的新路基含有的固結(jié)度。

由于在研究過程中舊路基的第一次沉降已經(jīng)完成，所以U't=100%，原計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為：

式中：S拓總為新建路基的最終沉降量與舊路基第二次沉降之和。

3 高速公路改擴(kuò)建路基加寬不均勻沉降控制方法

3.1 地基加固處治方法

本項(xiàng)目所在路段存在軟土地基和次生濕陷性黃土，易出現(xiàn)不均勻沉降，設(shè)計(jì)中擬對(duì)該區(qū)域采用CFG 樁- 網(wǎng)復(fù)合地基進(jìn)行處理，組成結(jié)構(gòu)見圖1[3]。CFG 樁- 網(wǎng)復(fù)合地基主要由土工格柵、褥墊層、CFG樁以及填土組成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，由于樁端直接落在持力層，可有效提高地基的承載能力，降低路基不均勻沉降。另外，在土工格柵的作用下，可以有效改善地基的受力狀態(tài)，使路基土均勻受力，減小軟土層的壓縮變形，進(jìn)而達(dá)到減少路基土沉降變形的目的。

圖1 CFG-網(wǎng)復(fù)合地基

3.2 拓寬路基沉降控制方法

原有舊路基在車輛荷載及其自重的長(zhǎng)期作用下，已趨于穩(wěn)定，完工后所產(chǎn)生的二次沉降變形很小。而新建路基由于尚未固結(jié)完成，還需要一段時(shí)間才能夠變形穩(wěn)定，而且相比舊路基的變形量和變形速度均較大。

為了降低由于新舊路基沉降變形差異所產(chǎn)生的不均勻沉降，必須在施工中采取措施進(jìn)行防治。首先，在路基拓寬過程中，必須對(duì)填挖結(jié)合段開挖內(nèi)傾臺(tái)階。路基填筑過程中采用分層填筑、分層壓實(shí)、分層檢驗(yàn)，確保壓實(shí)質(zhì)量。另外，在路基頂部鋪設(shè)雙層鋼塑土工格柵，起到加筋作用[4]。在臺(tái)階的作用下可以增強(qiáng)鋼塑土工格柵的加筋效果，可以增大土體的抗拉能力。將舊路基上沒有壓實(shí)的不穩(wěn)定填土進(jìn)行換填，再次壓實(shí)保證新舊路基結(jié)合處的穩(wěn)定性。

4 高速公路改擴(kuò)建路基加寬段沉降監(jiān)測(cè)分析

4.1 路基沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

圖2 路基橫斷面與沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

該項(xiàng)目采用雙側(cè)加寬，觀測(cè)過程中重點(diǎn)對(duì)舊路基、新舊路基結(jié)合處、新路基邊緣處3 部分分別進(jìn)行觀測(cè)，并對(duì)觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行記錄分析，確定沉降變形情況[5]。選取軟土地基沉降監(jiān)測(cè)路段作為研究對(duì)象，監(jiān)測(cè)點(diǎn)每個(gè)斷面布置3 個(gè)，即在舊路基、新舊路基結(jié)合處、新路基邊緣處上各布設(shè)一個(gè)。本文選取兩個(gè)測(cè)段進(jìn)行試驗(yàn)分析，其中第一測(cè)段監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)編號(hào)為1-1 號(hào)、1-2 號(hào)和1-3 號(hào)點(diǎn)，第二測(cè)段監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)編號(hào)為2-1 號(hào)、2-2 號(hào)和2-3 號(hào)點(diǎn)，路基橫斷面與沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)詳見圖2。

4.2 路基沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收集與分析

通過對(duì)所選兩個(gè)監(jiān)測(cè)路段測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，分別對(duì)舊路基、新舊路基結(jié)合處、新路基邊緣處的累計(jì)沉降量隨時(shí)間變化的規(guī)律進(jìn)行分析，并繪制變形規(guī)律曲線詳見圖3～圖6。

圖3 第一測(cè)段路基累計(jì)沉降時(shí)間曲線

圖4 第二測(cè)段路基累計(jì)沉降時(shí)間曲線

通過對(duì)圖3 和圖4 所示累計(jì)沉降量時(shí)間曲線進(jìn)行分析，可以看出第一測(cè)段與第二測(cè)段路基沉降趨勢(shì)基本相同。其中1-1 號(hào)點(diǎn)和2-1 號(hào)是舊路基累計(jì)沉降隨時(shí)間變化曲線，從曲線走勢(shì)上可以看出累計(jì)12 個(gè)月舊路基的累計(jì)沉降量低于2 mm。通過對(duì)圖5和圖6 所示累計(jì)沉降速率時(shí)間曲線進(jìn)行分析可以得出，兩條曲線基本接近一條直線，這說明舊路基的沉降量很小，且基本趨于穩(wěn)定。

通過對(duì)圖3 和圖4 所示新舊路基結(jié)合處監(jiān)測(cè)點(diǎn)1-2 號(hào)點(diǎn)和2-2 號(hào)累計(jì)沉降量時(shí)間曲線分析可知，在一年12 個(gè)月監(jiān)測(cè)中1月至7月監(jiān)測(cè)點(diǎn)處的累計(jì)沉降量增加到9 mm 左右，且前期路基沉降增長(zhǎng)速度較快；而后5 個(gè)月沉降量增加較小，其中2-2 號(hào)點(diǎn)后5 個(gè)月累計(jì)增加約1 mm，而1-2 號(hào)點(diǎn)相對(duì)較大，累計(jì)增加約2 mm。通過圖5 和圖6 中累計(jì)沉降速率時(shí)間曲線可以看出，二者增長(zhǎng)速率均明顯放緩，且逐漸趨于穩(wěn)定。

圖5 第一測(cè)段路基累計(jì)沉降速率時(shí)間曲線

圖6 第二測(cè)段路基累計(jì)沉降速率時(shí)間曲線

1-3 號(hào)和2-3 號(hào)點(diǎn)為拓寬后新路基邊緣位置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過對(duì)累計(jì)沉降時(shí)間曲線和累計(jì)沉降速率時(shí)間曲線分析可知，其沉降變形規(guī)律與新舊路基結(jié)合處沉降變化基本一致，但是監(jiān)測(cè)所得到的最大累計(jì)沉降量不同，1-3 號(hào)和2-3 號(hào)點(diǎn)累計(jì)沉降值明顯高于1-2 號(hào)和2-2 號(hào)點(diǎn)，且第一測(cè)段最終累計(jì)沉降量明顯高于第二測(cè)段。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)在建高速公路拓寬改建后的舊路基、新舊路基結(jié)合處、新路基邊緣處沉降進(jìn)行觀測(cè)，并對(duì)路基累計(jì)沉降變形隨時(shí)間變化情況進(jìn)行分析，繪制了累計(jì)沉降時(shí)間曲線和累計(jì)沉降速率時(shí)間曲線，統(tǒng)計(jì)分析后得出以下結(jié)論：

a）原有舊路基所產(chǎn)生的累計(jì)沉降量較少，這主要是舊路基經(jīng)過多年的運(yùn)營(yíng)使用，已經(jīng)變形穩(wěn)定，雖然施工改變了路基上部的荷載，但是舊路基在產(chǎn)生較小沉降后很快固結(jié)穩(wěn)定。

b）新舊路基結(jié)合處所產(chǎn)生的沉降變形前期較大，后期逐漸穩(wěn)定，且累計(jì)沉降值最高達(dá)到了9 mm，說明采用CFG 樁- 網(wǎng)復(fù)合地基、土工格柵、挖臺(tái)階等加固方法有效提高了路基的承載能力，達(dá)到了預(yù)期效果。

c）新路基邊緣處的累計(jì)沉降超過10 mm，最高累計(jì)沉降值達(dá)到16 mm，較大沉降會(huì)造成路面結(jié)構(gòu)的破壞，可能在路面上出現(xiàn)縱向裂縫，必須進(jìn)行處治，比如提高路基壓實(shí)度、提高路基加固寬度、采用土工合成材料加筋土等技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。