探討公路工程半幅填方路基差異沉降的影響因素

杜潔

摘要 高速公路舊路基拓寬施工常采用半幅填方施工方案，但拓寬后的路基易出現(xiàn)差異沉降，導(dǎo)致道路結(jié)構(gòu)破壞，路用性能下降，引發(fā)道路交通安全問題。文章結(jié)合某高速公路半幅填方路基施工實(shí)踐，從填方高度、填料重度、路基拼接方式、拓寬寬度等方面入手進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，差異沉降與路基寬度成正比，一側(cè)拓寬方式下的差異沉降明顯大于兩側(cè)拓寬方式，進(jìn)而提出高速公路路基拓寬施工優(yōu)化措施。

關(guān)鍵詞 公路工程;半幅填方路基;拓寬填方;差異沉降

中圖分類號 U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）01-0127-03

0 引言

當(dāng)前我國早期建設(shè)的高速公路已接近或超過設(shè)計(jì)使用壽命，公路交通負(fù)荷已達(dá)到極限，導(dǎo)致交通擁堵和交通事故。因此，需要盡快修復(fù)和擴(kuò)建早期高速公路，以有效保證道路行車安全[1]。路基拓寬是舊公路改造升級的主要方式，但改造后的新舊路基容易出現(xiàn)差異沉降，影響施工質(zhì)量，是導(dǎo)致道路路基路面病害的主要原因。這不僅會影響道路通行能力和服務(wù)水平，還會降低道路行車安全性、舒適性，不利于高速公路的可持續(xù)發(fā)展。高速公路路基拓寬施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是有效控制新舊路基之間的不均勻沉降。路基拼接方式、設(shè)計(jì)寬度、填方高度、填料重度等是路基拓寬施工需要重點(diǎn)考慮的主要因素。因此，需要全面深入研究影響高速公路路基拓寬施工階段新舊路基差異沉降的因素及控制措施。

1 填方路段沉降機(jī)理分析

在高速公路路基拓寬施工階段常采用半幅填方路基施工工藝，但由于未對路基填方進(jìn)行壓實(shí)固結(jié)，土體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，內(nèi)部粘結(jié)力不符合要求，導(dǎo)致填方施工后的路基沉降出現(xiàn)較為明顯的不均勻沉降，導(dǎo)致路基沉降差值，水平位移超出合理范圍[2]。

施工過程中，半幅填方路基壓實(shí)度與時(shí)間成正比，土體變形程度同時(shí)逐漸增大，進(jìn)而導(dǎo)致路基沉降量逐漸增加。在荷載作用下，路基土體孔隙中的水壓降低，固結(jié)度增加。隨著路基土體固結(jié)的不斷發(fā)展，孔隙率逐漸減小，土體有效應(yīng)力增大，最終發(fā)生壓縮變形。

2 工程案例

基于某高速工程改擴(kuò)建工程實(shí)踐，研究影響路基拓寬施工中路基差異沉降的各種因素。路基土體主要為粉質(zhì)壤土、粘性土和粉砂巖。路基拓寬施工時(shí)，由于荷載的作用，舊路基土體在持續(xù)應(yīng)力影響下經(jīng)過長時(shí)間的壓實(shí)和固結(jié)，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，沉降較小，而新拓寬的路基會形成應(yīng)力，導(dǎo)致原有路基沉降加大[3]。

通過沉降儀檢測路基沉降量，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析各種影響因素，對半幅填方施工中路基沉降差異的影響分析，進(jìn)而制定有效的沉降控制方案。采用水平移動樁或邊樁控制路基水平位移幅值，有效確保路基路堤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[4]。

2.1 沉降監(jiān)測

新舊路基沉降差異是指拓寬后的新路肩邊沿與原有路堤中線之間的沉降差異，該次研究結(jié)合某條高速公路的施工實(shí)踐，選取K17+150～K17+650作為試驗(yàn)路段，研究沉降差異的影響因素，將沉降板置于新路肩邊沿與原有路堤中線位置，將側(cè)樁布設(shè)于路基坡腳外側(cè)1～2 cm、10～12 cm位置。

2.2 水平位移監(jiān)測

該文根據(jù)某高速公路實(shí)際情況選用極坐標(biāo)法，觀測側(cè)樁位移，基于全站儀測量側(cè)樁坐標(biāo)。結(jié)合該高速公路改擴(kuò)建工程實(shí)踐，取第一次邊樁的坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)作為研究依據(jù)，求得邊樁位移以及坐標(biāo)差。

3 差異沉降影響因素分析

地質(zhì)、地形、路基拓寬方案、路基填方高度、路基填料重度等因素都會影響路基拓寬施工中的新舊路基沉降。

3.1 路基填料重度對差異沉降的影響

不同類型路基填方材料的重度不同，產(chǎn)生的附加應(yīng)力不同，對路基差異沉降的影響也存在差異。

（1）明確填料重度與路基沉降之間的關(guān)系是研究路基拓寬施工中的差異沉降問題的關(guān)鍵，以三種重度的填料為研究對象，即粉煤灰土（重度4 kN/m3）、一般填土（重度10 kN/m3）、泡沫輕質(zhì)土（重度17 kN/m3）進(jìn)行路基填方試驗(yàn)，找出填料重度與路基差異沉降之間的關(guān)系。

（2）填料重度與路基沉降成正比，且路基沉降差值呈線性變化。

（3）用重度為4 kN/m3的填料進(jìn)行填方施工后，路基差異沉降最大值為1.2 cm，當(dāng)路基填料重度為10 kN/m3時(shí)，路基差異沉降最大值為2.4 cm，當(dāng)路基填料重度為17 kN/m3時(shí)，路基差異沉降最大值為3.8 cm。前兩個沉降差值相差1.2 cm，后兩個沉降差值相差1.4 cm。顯然，重度小的填料可以有效降低填方施工帶來的路基沉降差值?？梢姡敕坊貙捠┕た梢允褂幂p質(zhì)泡沫填料減輕新建路基的重量，降低施工后路基表面的沉降差異。

3.2 拓寬方式對差異沉降的影響

工程實(shí)踐中，高速公路路基拓寬有兩種常見方式：一側(cè)拓寬和兩側(cè)拓寬。在典型橫斷面設(shè)置測點(diǎn)，結(jié)合各種拓寬方法和工程實(shí)例分析半幅路基的沉降變化規(guī)律。路基高4 m，坡度為1∶1.5，回填土為普通回填土，通過設(shè)置沉降板控制土體沉降，通過設(shè)置側(cè)樁控制土體水平位移。

3.2.1 一側(cè)拓寬

在一側(cè)路基拓寬試驗(yàn)段設(shè)置測點(diǎn)，通過沉降值測定儀測得4 m、8 m、12 m、16 m四種拓寬寬度下的路基沉降以及一側(cè)拓寬不同寬度時(shí)路基頂面最大差異沉降變化，分別如圖1、圖2所示，路基土體水平位移如圖3所示。

（1）根據(jù)圖1、圖2可以看出，拓寬寬度與路基沉降大小成正比。路基拓寬寬度為4 m時(shí)，路基沉降差最大值為5.94 cm。路基拓寬寬度為8 m時(shí)，路基沉降差最大值為11.66 cm，沉降差增加5.72 cm;路基拓寬寬度為12 m時(shí)，路基沉降差最大值增加4.17 cm。路基拓寬到16 m時(shí)，沉降差最大值增加4.15 cm?？梢姡黾勇坊貙拰挾瓤梢詼p小路基沉降差異變化幅度。

（2）從圖3可以看出，拓寬寬度與水平位移成正比關(guān)系，同時(shí)和路基水平位移成正比，水平位移量增加，因此，應(yīng)該合理控制拓寬路基的填方施工速度。

（3）根據(jù)上述分析可知，寬度8 m時(shí)，新舊路基之間的沉降差異、水平位移均不明顯，可見，拓寬寬度最佳值為8 m。

3.2.2 兩側(cè)拓寬

兩側(cè)拓寬方式采用與一側(cè)拓寬方式相同的測點(diǎn)布設(shè)方式。寬度分別取4 m、8 m、12 m、16 m，同時(shí)路基結(jié)構(gòu)對稱分布，每一側(cè)的拓寬寬度取總拓寬寬度的二分之一，即2 m、4 m、6 m、8 m。

（1）采取兩側(cè)拓寬施工方案，路基沉降曲線、最大不均勻沉降和水平位移與一側(cè)拓寬大體相同。（2）如果拓寬寬度相同，采用兩側(cè)拓寬施工方案時(shí)，新拓寬路基與原有路基之間的沉降量差異不大，新路基帶來的附加應(yīng)力均勻分布在路基兩側(cè)，新拓寬路基與原有路基之間的不均勻沉降較小。（3）比較兩種路基拓寬方式可知二者各有優(yōu)缺點(diǎn)。對于同樣的拓寬寬度，兩側(cè)拓寬對道路結(jié)構(gòu)的荷載受力均勻分布更有幫助。但總的來說，兩側(cè)拓寬對道路運(yùn)營影響更大，增加了施工難度和工程成本。

3.3 填土高度對差異沉降的影響

填土高度、填土自重也會影響路基沉降。填土高度與路基沉降成正比。為研究填土高度與路基沉降之間的關(guān)系，該次研究假設(shè)路基拓寬寬度為8 m、填料為普通填料，路基邊坡坡度1∶1.5，分別測量2 m、4 m、6 m、8 m四種填土高度對應(yīng)的路基沉降變化曲線、填土高度與路基頂面沉降差異最大值的關(guān)系、填土高度與路基水平位移的關(guān)系分別如圖4、圖5、圖6所示。

根據(jù)圖4、圖5可知，對于拓寬后的新路基，其填土高度與沉降量、路基沉降差異成正比。四種填土高度對應(yīng)的路基沉降差最大值分別為7.3 cm、13.1 cm、20.3 cm、23.4 cm，結(jié)果顯示，填土高度與路基沉降成正比，由于填土自重的影響，路基沉降差異先增加后減小，且沉降差值最大位置向外偏移。從圖6中可知，填土高度與路基土體水平位移成正比，且新路基水平位移的影響大于舊路基。在實(shí)際操作中，如果填土高度過高，可以采用“緩邊坡”以保證整條道路的穩(wěn)定性，也可以通過增加路面的壓實(shí)度來控制水平偏移[5]。

4 結(jié)論

基于上述研究可總結(jié)出以下幾點(diǎn)路基拓寬施工階段的優(yōu)化措施：

（1）盡量選用重度小的填料。填料的重度越小，拓寬施工對路基不均勻沉降的影響越小，例如，泡沫輕質(zhì)土，其自重很小，采用該類填料進(jìn)行半幅填方施工不會導(dǎo)致路基沉降差異過大，同時(shí)該類填料成本較低，可以有效提高施工經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)保證施工質(zhì)量。（2）路基拓寬最佳寬度為8 m，該寬度對應(yīng)的路基沉降差異，水平位移均在最佳范圍內(nèi)。對于較窄的路基可以采用一側(cè)拓寬施工方案，反之應(yīng)該選擇兩側(cè)拓寬施工方案，兩種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，一側(cè)拓寬施工方案對交通的影響小，采用兩側(cè)拓寬施工方案時(shí)，路基沉降更加均勻，新舊路基沉降差異不明顯。（3）最佳填土高度為6 m，當(dāng)填方高度超出6 m時(shí)，路基沉降、水平位移明顯增大，嚴(yán)重威脅路基邊坡的穩(wěn)定性。（4）半幅填方施工階段，回填土的壓實(shí)度取值取決于壓實(shí)設(shè)備功耗，壓實(shí)次數(shù)卻決于土體類型，砂土壓實(shí)2～3次，亞砂土壓實(shí)3～4次，粘土壓實(shí)5～6次。壓實(shí)度滿足要求的情況下，含水量不宜過高，每層填土厚度范圍30～40 cm。

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