臨江路段半挖半填拓寬路基差異沉降及施工技術(shù)研究

鄭 凱

（中交建筑集團(tuán)有限公司 ，北京 100022）

0 引言

對臨江路段半填半挖路基來說，評判差異沉降，施工技術(shù)要求越來越精細(xì)和復(fù)雜。對臨江路段半填半挖路基來說，可以采用土工織物等材料，利用合成材料的抗拉性能提升整體性，減少沉陷概率。具體應(yīng)用層面主要是通過土工合成材料的抗拉及抗折強(qiáng)度抵抗實際路段造成的巨大拉應(yīng)力，將路面板進(jìn)行拉伸和彎曲，最終以結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降或撕裂變形而結(jié)束[1]，加入土工材料可以有效地減少路基及路面結(jié)構(gòu)發(fā)生變形的情況，使兩者具有足夠的整體性，形成同步受力的板體；此外，由于整體受力性能大大增強(qiáng)，半填半挖路基先天帶來的土體壓實度的差異將會被沖平，因此，對控制路基沉降施工有顯著的提升作用。

1 工程概況

陳家棚至福港公路改建工程涉及臨江路段的拓寬路基的施工，由于K4+000-K5+000 路段部分路基寬度不足，其左側(cè)靠近軍用鐵路，右側(cè)臨江，需要向右幅填筑進(jìn)行拓寬；受到地形地貌限制，存在半填半挖路段的處理問題。為了使路基填筑以后，不出現(xiàn)填方挖方段的差異性沉降問題，該文針對該工程項目進(jìn)行剖析，并總結(jié)可以控制差異沉降的施工技術(shù)，以便指導(dǎo)現(xiàn)場實際施工。

2 模型試驗

2.1 試驗臺制作

為較好地對工程標(biāo)段內(nèi)的臨江段拓寬路基進(jìn)行沉降分析，通過建立模型試驗進(jìn)行工況實際情況的模擬。要求必須根據(jù)實際發(fā)生的路段進(jìn)行分析決策。模型試驗首先考慮制作模型臺，進(jìn)行試驗臺的砌筑，尺寸如圖1、圖2 所示。整個墻面采用水泥砂漿進(jìn)行抹面。

圖1 橫墻及基槽模型試驗幾何尺寸

圖2 側(cè)墻模型試驗幾何尺寸

2.2 壓力測試布點方式

由于需要對填挖路基進(jìn)行沉降監(jiān)測，因此需要特別考慮測點的布置情況。考慮到填挖段地基沉降存在差異，對填筑路段來說，泥土松散，更易出現(xiàn)先前沉降。其沉降指標(biāo)更敏感，需要更多的壓力測試裝置進(jìn)行加密測試[2]。為此，對模型試驗安置6 個壓力盒采集相關(guān)數(shù)據(jù)。布設(shè)位置如圖3 所示，靠近路基表面的壓力盒埋直接埋覆于表層壓力荷載以下15 cm 的位置；其余壓力盒所在位置分布于填挖兩側(cè)，有對比效果，以便于對后續(xù)試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。壓力盒以上需要以施工現(xiàn)場原狀路基土為回填材料，進(jìn)行5 cm 回填，然后在其上面進(jìn)行加壓試驗。

圖3 原狀路基壓力盒埋設(shè)布點及尺寸要求圖

圖4 普通填筑路基試驗段沉降值對比曲線

2.3 路基填筑料試驗

該工程實際路基填筑過程高速公路改擴(kuò)建工程中，對拼接路堤及下路床填料的各種指標(biāo)要求嚴(yán)格，填料測試指標(biāo)須合格才可用于路基及下路床填料。該文所涉及工程的取土場為擾動土土場。根據(jù)JTG E40—2007（T0 1115—1993）試驗規(guī)程，采用篩分法對土樣進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。

表1 取土場顆粒粒徑指標(biāo)表

2.4 加載方式

真實的車輛軸載會通過反復(fù)荷載和周期荷載的特征形式予以呈現(xiàn)，并最終轉(zhuǎn)化為變形的方式對路基路面形成響應(yīng)。模型試驗對工況進(jìn)行模擬，通過經(jīng)歷加載逐漸進(jìn)行梯級階段的加載，加載介質(zhì)為鋼板，從50000 Pa 一直加載至250 000 Pa，分5 次加載至最大值[3]。為減少數(shù)據(jù)的離散性，在現(xiàn)場試驗中，加載控制勻速進(jìn)行，并由技術(shù)員配合記錄數(shù)據(jù)和加載鋼板，二者應(yīng)同時進(jìn)行。加載過程需要梯級加載。每次加載500 Pa，通過百分表記錄變形沉降情況，對加載需要連續(xù)高效，不能中途停頓；不能出現(xiàn)忽大忽小的跳躍式加載。在加載的最后環(huán)節(jié)，需要將梯級加載進(jìn)一步細(xì)化，每次加載按200 Pa 進(jìn)行，不會突變。

2.5 試驗段填土

在模型試驗的過程中，需要將試驗土進(jìn)行拌合，拌合后的土質(zhì)更符合實際工況。由于填筑段的土質(zhì)相對疏松，因此較大程度地破壞土的天然密實度，其內(nèi)部空間間隙更大，進(jìn)行加灰拌合能夠填充內(nèi)部裂隙，使土質(zhì)整體飽和度更貼近于原狀路基。為了最大限度地符合實際現(xiàn)場路基情況，需要將含水率調(diào)整到允許范圍內(nèi)。

2.6 土工織物鋪設(shè)

土工織物對半填半挖路段的加筋效果非常明顯。在現(xiàn)場材料允許范圍內(nèi)加入土工合成材料，能夠直觀地解決差異沉降的質(zhì)量通病[4]。對臨江路段的半填半挖路基來說，存在許多的干擾因素，會對實際沉降帶來較大影響。因此，在填方一側(cè)，應(yīng)當(dāng)每填筑100 mm 的土層，在壓實后就需要鋪筑一層土工織物；然后在其上繼續(xù)按100 mm 土層厚度進(jìn)行填筑施工。

3 差異沉降分析

3.1 路基土本構(gòu)模型確認(rèn)

為了清晰地表征半填半挖路基的沉降變形特性，需要從路基土體的本構(gòu)模型進(jìn)行剖析。剖析的重點是路基土體填方段與挖方段的差異性，從力學(xué)與數(shù)學(xué)的角度進(jìn)行刻畫。在實際的土體運動工況中，土體本構(gòu)模型的確認(rèn)較為復(fù)雜。該文采用Drucker-Prager 模型進(jìn)行非線性數(shù)值求解。該表達(dá)式較為準(zhǔn)確和真實地反映路基土在承載后的變化情況，對分析路基填方挖方段的差異沉降問題較為適用。其標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式如公式（1）所示。

式中：F為總力值；σ為路基土主應(yīng)力，數(shù)字1、2、3 為三個方向的主應(yīng)力；I為主應(yīng)力之和；J2為第三強(qiáng)度理論下的主方向上的主應(yīng)力值；C為路基土的黏聚力；?為內(nèi)摩擦角。

假設(shè)在任何一個面的任何一點，一定能找到一個塑性勢面，數(shù)學(xué)描述如公式（2）所示。

在3 個方向的長、寬、高的尺寸將是路基土最合適的承載狀態(tài)，在該狀態(tài)不會存在土體抬升的情況，也不存在土體沉陷的情況，能夠最大限度地保持土體完整。定義土體剛度矩陣表達(dá)式如公式（3）所示。

該式表達(dá)了彈性變形部分d{ε}e和非彈性部分d{ε}p，如果在重壓下，彈性部分可能減少，而更多的變形來自于非彈性部分d{ε}p；同理，在車軸載不足的工況下，可能產(chǎn)生路基土的軟化現(xiàn)象，整個彈性部分變形d{ε}e將被拉長。

陳家棚至福港公路改建工程受到地形的限制，須向右幅填筑拓寬才能保證工程設(shè)計要求；路基土層狀態(tài)各不相同，半填半挖情況顯著?？梢约僭O(shè)填方路段的路基土為非彈性變形部分d{ε}p；而挖方路段路基土層則可定義為彈性變形部分d{ε}e。二者共同構(gòu)成整個勢面方程，如公式（3）所示。

如果考慮土體剛度總量一定，那么填方路段d{ε}p帶來的變形越多，相應(yīng)d{ε}e帶來的變形就越?。辉谶@樣的規(guī)律下，就能解決差異沉降問題，加強(qiáng)填方路段的土工織物加筋處理，補強(qiáng)其可能產(chǎn)生的變形，尤其是該部分變形將是不可逆非線性的。

3.2 試驗段模型試驗加載對比

對比利用試驗段原狀路基與摻和了土工合成材料的新填筑路基的加載沉降值，可以發(fā)現(xiàn)，原狀路基和新填路基在重力荷載不斷施加的情況下，整體趨勢保持一致。沉降值原狀路基明顯小于新填路基，當(dāng)加載達(dá)到試驗的最大值250 000 Pa 時，原狀路基的沉降值為5.8 mm；而相同條件下的新填路基最終沉降值達(dá)到7.6 mm，與原狀路基相比多1.8 mm。這是由于整體新填路基的壓實度比原狀路基差，無論是否碾壓均勻，都可能產(chǎn)生一定的變位。新填路基加載到150000 Pa 時，會有一定程度的跳躍式上升階段，這主要是對荷載加載的突變性反映。在實際工況中，即路基結(jié)構(gòu)會在達(dá)到某個極值點時出現(xiàn)沉陷，這種沉陷效應(yīng)會直觀地反映在結(jié)構(gòu)表層迅速向下沉降，達(dá)到肉眼可見的程度，一般為2 mm～3 mm。

3.3 加鋪土工織物對比分析

在以上的試驗結(jié)果分析中，已經(jīng)明確新填筑路基會隨著荷載的增加開始出現(xiàn)較大幅度的沉陷運動。通過增加土工織物的鋪設(shè)，在半挖與半填路段加入土工合成材料，然后覆土，最終及逆行加載試驗，對比分析結(jié)果并拉出對比曲線[5]，得到如圖5 所示加鋪土工織物的沉降值對比曲線圖。

圖5 加鋪土工織物效果對比圖

由圖5 可知，對路及結(jié)構(gòu)進(jìn)行“加筋”處理后[6]，在半填半挖路段加鋪土工合成材料后，整體路基沉降顯著下降。盡管在加載的前段過程中，但是原狀路基的沉降情況比加鋪路基要好。這是因為加鋪路基自身仍然受到非天然飽和土的限制，整體處于較為松散的狀態(tài)，承受外界的壓力，表現(xiàn)比原狀路基結(jié)構(gòu)差；隨著過程開始發(fā)生改變，壓強(qiáng)在增加的態(tài)勢下，加鋪路基中存在的土工織物開始發(fā)揮其優(yōu)越的性能，當(dāng)加載值達(dá)到150000 Pa 時，原狀路基的沉降值開始逐漸加大，而加鋪路基始終在較小的沉降范圍內(nèi)活動，使整體的加鋪路基試驗段保持較小的沉降值[7]。直到最終的加載力值為250000 Pa，原狀路基與加鋪路基的沉降差達(dá)到1.2 mm 左右。試驗證明：采用土工織物的半挖半填路段的路基結(jié)構(gòu)能夠更好地適應(yīng)在較大軸載作用下的反復(fù)荷載，而不發(fā)生較大的沉降，整體沉降值最終會在5 mm 左右，符合路基設(shè)計和實際使用的要求。

4 結(jié)論

該文從陳家棚至福港公路改建工程涉及臨江路段的拓寬路基的施工實際出發(fā)，討論了如何從半填半挖路基施工中有效控制沉降值，提出通過加鋪土工織物的方式提升差異沉降。在分析中驗證了質(zhì)量控制效果，根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行試驗段的模擬工作，通過加載試驗對各沉降值數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，得到原狀路基與加鋪路基的沉降差異，同時對比差異沉降分析相應(yīng)的原因，提出處理方法。半填半挖施工路段對市政道路修筑中是一相對特殊的工況，在這種工況作用下，進(jìn)行模型試驗?zāi)軌蚱鸬綌?shù)據(jù)論證的效果，對后期施工能夠指明方向和參數(shù)確認(rèn)等技術(shù)指標(biāo)要求。對市政道路來說，特別是臨江一側(cè)的市政道路路基施工，可以起到一定的指導(dǎo)作用。