公路改擴(kuò)建半幅填方路基差異沉降特性研究

楊斌

（河北交通投資集團(tuán)張石高速公路保定段有限公司，河北 保定 071000）

0 引言

我國(guó)早期建設(shè)的高速公路已接近或超過(guò)設(shè)計(jì)壽命[1]，需要盡快加以修復(fù)或擴(kuò)建，以保證道路行車安全。路基拓寬是舊公路改造升級(jí)的主要方式之一，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，也是導(dǎo)致道路路基路面病害的主要原因，不僅會(huì)影響道路通行能力和服務(wù)水平，還會(huì)降低道路行車安全性、舒適性。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[2-3]，在高速公路路基拓寬施工中應(yīng)予以充分考慮。

1 填方路段沉降機(jī)理分析

高速公路路基拓寬常采用半幅填方路基施工工藝，但由于未對(duì)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)部黏結(jié)力不符合要求，容易導(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，產(chǎn)生路基沉降差值，且水平位移超出合理范圍[4-5]。

施工過(guò)程中，半幅填方路基壓實(shí)度與時(shí)間成正比，土體變形程度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大，路基沉降量也逐漸增加。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[6]。

2 工程案例概況

本文基于某高速工程改擴(kuò)建工程實(shí)踐，對(duì)路基拓寬施工中路基差異沉降各種影響因素進(jìn)行研究。某路基土體主要為粉質(zhì)壤土、黏性土和粉砂巖。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(guò)長(zhǎng)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(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致原有路基沉降加大[7]。

利用沉降儀對(duì)路基沉降量進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析各因素對(duì)半幅填方施工中路基沉降差異的影響，進(jìn)而制定有效的沉降控制方案。采用水平移動(dòng)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。

2.1 沉降監(jiān)測(cè)

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。本研究結(jié)合某條高速公路的施工實(shí)踐，選取K17+150—K17+650 段作為試驗(yàn)段，研究沉降差異的影響因素，具體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)1～2cm,10～12cm位置。

2.2 水平位移監(jiān)測(cè)

本文根據(jù)某高速公路實(shí)際情況選用極坐標(biāo)法測(cè)量側(cè)樁位移，基于全站儀測(cè)量側(cè)樁坐標(biāo)。結(jié)合該高速公路改擴(kuò)建工程實(shí)踐，取第一次邊樁坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)作為研究依據(jù)，求得邊樁位移和坐標(biāo)差[8]。

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(huì)影響路基拓寬施工中的新舊路基沉降[9-10]。

3.1 路基填料重度對(duì)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(duì)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差異沉降問(wèn)題的關(guān)鍵，本文以3種重度的填料為研究對(duì)象，即粉煤灰土（重度4kN/m3）、一般填土（重度10kN/m3）、泡沫輕質(zhì)土（重度17kN/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）當(dāng)采用重度為4kN/m3的填料進(jìn)行填方施工時(shí)，路基差異沉降最大值為1.2cm；當(dāng)路基填料重度為10kN/m3時(shí)，路基差異沉降最大值為2.4cm；當(dāng)路基填料重度為17kN/m3時(shí)，路基差異沉降最大值為3.8cm。前兩個(gè)沉降值相差1.2cm，后兩個(gè)沉降值相差1.4cm。顯然，重度小的填料可以有效降低填方施工帶來(lái)的路基沉降差值。可見(jiàn)，半幅路基拓寬施工可以采用輕質(zhì)泡沫填料以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(duì)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(jiàn)方式：一側(cè)拓寬和兩側(cè)拓寬。在典型橫斷面設(shè)置測(cè)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4m，坡度為1:1.5，回填土為普通回填土，分別通過(guò)設(shè)置沉降板和側(cè)樁來(lái)控制土體沉降和土體水平位移。

3.2.1 一側(cè)拓寬

在一側(cè)路基拓寬試驗(yàn)段設(shè)置測(cè)點(diǎn)，通過(guò)沉降值測(cè)定儀測(cè)得4m,8m,12m,16m 共4 種拓寬寬度下的路基沉降和一側(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。

圖1 一側(cè)拓寬不同寬度時(shí)路基豎向沉降曲線

圖2 一側(cè)拓寬不同寬度時(shí)路基頂面最大差異沉降變化

圖3 一側(cè)拓寬方案不同寬度時(shí)路基水平位移曲線

（1）由圖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4m 時(shí)，路基沉降差最大值為5.94cm；路基拓寬寬度為8m 時(shí)，路基沉降差最大值為11.66cm，沉降差增加5.72cm；路基拓寬寬度為12m 時(shí)，路基沉降差最大值增加4.17cm；路基拓寬到16m時(shí)，沉降差最大值增加4.15cm。可見(jiàn)，增加路基拓寬寬度可以減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例關(guān)系。

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

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(cè)點(diǎn)布設(shè)方式。寬度分別取4m,8m,12m,16m，同時(shí)路基結(jié)構(gòu)對(duì)稱分布，每一側(cè)的拓寬寬度取總拓寬寬度的1/2，即2m,4m,6m,8m。

（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(lái)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(duì)于同樣的拓寬寬度，兩側(cè)拓寬更有助于道路結(jié)構(gòu)荷載均勻分布?？傮w上，兩側(cè)拓寬對(duì)道路運(yùn)營(yíng)影響更大，增加了施工難度和工程成本。

3.3 填土高度對(duì)差異沉降的影響

填土高度、填土自重也會(huì)影響路基沉降，且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具體關(guān)系，本研究假設(shè)路基拓寬寬度為8m、填料為普通填料，路基邊坡坡度為1:1.5，分別確定2m,4m, 6m, 8m 共4 種填土高度對(duì)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關(guān)系，如圖4～圖6所示。

由圖4、圖5 可知，對(duì)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。4 種填土高度對(duì)應(yīng)的路基沉降差最大值分別為7.3cm, 13.1cm, 20.3cm,23.4cm，結(jié)果顯示，填土高度與路基沉降成正比，由于受填土自重的影響，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(guò)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(guò)增加路面壓實(shí)度來(lái)控制水平偏移。

圖4 不同填土高度時(shí)拓寬路基豎向沉降曲線

圖5 不同填土高度時(shí)拓寬路基頂面最大差異沉降變化

圖6 不同填土高度時(shí)拓寬路基水平位移曲線

4 結(jié)論

基于以上研究，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。填料重度越小，拓寬施工對(duì)路基不均勻沉降的影響越小，例如，泡沫輕質(zhì)土的自重很小，用作半幅填方施工不會(huì)導(dǎo)致路基沉降差異過(guò)大，另外該類填料成本較低，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8m，該寬度對(duì)應(yīng)的路基沉降差異、水平位移均在最佳范圍內(nèi)。對(duì)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(duì)交通的影響??；兩側(cè)拓寬施工方案對(duì)應(yīng)的路基沉降更加均勻，新舊路基沉降差異不明顯。

（3）最佳填土高度為6m，當(dāng)填方高度超出6m 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)度值取決于壓實(shí)設(shè)備功耗，壓實(shí)次數(shù)取決于土體類型：砂土壓實(shí) 2～3 次，亞砂土壓實(shí) 3～4 次，黏土壓實(shí) 5～6 次。在壓實(shí)度滿足要求的情況下，含水量不宜過(guò)高，每層填土厚度范圍為30～40cm。