武陵山大道拓寬工程路基的差異沉降及控制技術分析

劉岳兵

(湖南建工集團有限公司,湖南 長沙 410000)

1 工程概況

武陵山大道位于張家界主城區(qū),是聯(lián)系城區(qū)與武陵源景區(qū)的交通主干路,現(xiàn)狀為S306省道,二級公路。武陵山大道包括城區(qū)段與景區(qū)段兩部分,城區(qū)段所在區(qū)域位于張家界市主城區(qū)北片的沙堤片區(qū),全長約10.0 km,城市主干路等級。

為提高建設用地利用率與合理利用建設資金,對武陵山大道城區(qū)段進行全面升級改造,在原有道路基礎上,對該區(qū)段進行二級拓寬。其中九路采用雙向車道,路幅寬度約為50 m,路面斷面形式較為復雜,舊路總長10.0 km,新路總長為6.2 km,整體利用率為78%。根據(jù)沿線路網(wǎng)及周邊地塊開發(fā)形狀,確定線路全程主要采用填方路基的形式進行施工,南段與北段的填方面積較小,沿線邊坡的平均高度為10.2 m。為減少占地面積,對于邊坡防護的,利用石垛與擋土墻對邊坡支護,舊路拓寬區(qū)段采用兩側(cè)加寬。為減少征地拆遷,拓寬路段按50 m寬道路寬度設計,雙向8車道。對于道路一側(cè)受房屋、河流、高陡邊坡等因素限制的路段,經(jīng)方案比選,可采用單邊加寬。路基加寬施工期間,舊路仍在運營中,應根據(jù)工程進度進行相應的施工交通組織和控制。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告,擬建場地的地震烈度為Ⅵ度,屬于相對穩(wěn)定區(qū)域,項目區(qū)工程場地類別以Ⅰ～Ⅱ類為主。沿線地貌類型主要為沖積平原,路基填土構(gòu)成成分較為復雜,根據(jù)線路里程,將典型地質(zhì)層組分為6類,如表1所示。

表1 工程路基地質(zhì)分布

擬建場地中的地下水位平均高度為20.6 m,主要由道路兩側(cè)基巖裂隙水與自然降水給予,包括礫石角礫土,含水量高,透水性強。水量隨地質(zhì)條件的變化而變化很大?；鶐r面作為相對隔水層,是地下水的聚集匯流帶。水量、水位動態(tài)變化較大,水質(zhì)總體較好。屬于淡水,具有弱腐蝕性。

在項目施工期間,舊地基的沉降已經(jīng)結(jié)束,在運營過程中,由于舊路路基自重和車輛荷載的持續(xù)作用,軟土地基中的水被排出,而路面加寬較厚,新地基與舊地基的固結(jié)時間與強度不同,且兩者的地基壓縮模量差距較大,這導致加寬工程的不均勻沉降。為最大限度地減少拓寬施工后地基的差異沉降,將沉降控制在合理范圍內(nèi),有必要分析不均勻沉降的原因,從而有針對性地設計沉降控制措施。

2 路基差異沉降產(chǎn)生機理分析

2.1 橫向差異沉降產(chǎn)生機理

道路結(jié)構(gòu)與路基之間存在明顯的剛度差異。一般情況下,在下部基礎的支撐下,道路部分的沉降較小,而橋臺部分的沉降由路基壓縮沉降和地基固結(jié)沉降組成[1]。當?shù)缆泛竺娴穆坊饾u填充和抬高時,土壤荷載從橋臺上脫落后,地基將繼續(xù)固結(jié)和沉降[2]。在短周期的情況下,軟土地基含水量大、空隙率高、強度不足,需要很長時間才能完成固結(jié),這導致運營期橋臺后基礎持續(xù)固結(jié)沉降,導致不均勻沉降。此外,根據(jù)施工工藝可知,道路回填工序通常是在原有道路邊溝填平壓實后進行的,而這將會使路面的施工面變窄,增加了土石方壓實的難度,最終使得新道路土工格室的填料無法徹底壓實,而在重力侵蝕與路基自重應力的共同作用下,導致填料與高填路基之間的孔隙逐漸較小,進而產(chǎn)生差異沉降。

2.2 縱向差異沉降產(chǎn)生機理

經(jīng)過多年的舊路運營,舊路路基和基礎的固結(jié)沉降基本完成,并進行了加寬和拼接。新路基填料的重力荷載將導致下部路基和新路基產(chǎn)生較大的固結(jié)沉降,路基兩側(cè)將產(chǎn)生不均勻沉降,并向上反映到路基和路面。當?shù)鼗鶠檐浲習r,不均勻沉降將更加嚴重;為了將新舊路基整體拼接,減少不均勻沉降,需要對新舊路基接縫進行重點處理[3]。然而,由于施工工藝、處理不當?shù)纫蛩?現(xiàn)場處理往往達不到設計要求,導致接縫處不均勻沉降或新路基沿接縫面滑動,舊路基原有濕度大,壓實度不足,路基填料差異大,新填路基和舊填路基的土體強度和穩(wěn)定性差異很大,這必然導致一定的沉降差異。

根據(jù)以上總結(jié)可知,公路拓寬工程病害主要來自新舊路基變形不協(xié)調(diào)和拓寬路基穩(wěn)定性差兩個方面。以下將基于上述兩個原因和項目概況,研究不均勻沉降的控制措施。

3 差異沉降控制技術研究

3.1 路基模型建立

有限元方法可以對實驗室測試中難以實現(xiàn)、無法實現(xiàn)的理論推導或理論推導結(jié)果誤差較大、理論推導耗時的工程問題進行數(shù)值模擬,它在處理工程問題的過程中具有許多優(yōu)點。通過計算機程序,對建設工程中的向異性與非勻質(zhì)性材料進行分析與處理,求解非線性問題,獲得可適應各種復雜邊界條件的線性計算模型[5]。

路基土承受拉力的能力遠遠小于其壓縮能力。路基土的變形除了受荷載影響較大外,還會受到靜水壓力和側(cè)向應力的影響。因此,選擇Drucker-Prager(D-P)模型作為有限元分析的材料模型。

根據(jù)工程實際情況,拓寬后全寬路基寬度分為41.0 m和42.0 m,因此,設置路基計算模型的尺寸為42 m×41 m,每側(cè)寬度計算為8 m,邊坡率采用工程中的二級邊坡的坡率,為1∶1.5,加寬路基模型的底部長度為30 m,寬度為20 m;基床表層的計算長度取15 m,寬度取18 m,路基的延伸方向長度取15 m。具體計算參數(shù)如表2所示。

表2 路基模型計算相關參數(shù)

模型中定義的水平位移基于舊路基中心線下方的基面,垂直于路基中心線并遠離路基的方向為正,相反方向為負;沉降基于舊路基的中心線和路基頂面線,向下為正,向上為負?？紤]到加寬路基寬度較大,為了保證有限元分析計算的計算機運行速度,對路基模型的網(wǎng)格劃分單位取1.5 m進行計算。路基計算模型示意圖如圖1所示。

圖1 有限元路基計算模型示意圖

原點位于舊道路中心下方研究范圍的最低點,圖中點A,在y軸方向上,選擇地面以下18 m的路基和地基土作為路基模型的計算范圍。其中,由素填土和粉質(zhì)粘土組成的填土層地基1的厚度h1=3 m,高液限土和其他不良地質(zhì)土組成的軟弱土層地基2的厚度h2=5 m,由巖層組成的地基3的厚度h3=10 m;在x軸方向上,選擇向右延伸50 m的路基中心線作為路基模型的計算范圍,其中舊道路頂面寬度為14 m,新擴建道路寬度為10 m。

根據(jù)以上方法建立的路基計算模型,基于土體參數(shù),接下來計算新舊路基的差異沉降量,便于設計有針對性的沉降控制措施。

3.2 新老路基差異沉降計算

為精準求解出新舊路基的最終差異沉降,在計算之前,需要根據(jù)路基的固結(jié)時間界定路基的沉降類型進行分類與界定。將原有道路的路基稱為舊路基,拓寬后的路基稱為新路基,舊路基與新路基之間的銜接部分稱為拓寬路基。

為便于計算,對路基的沉降類型做出如下定義:舊路基的最終沉降為第一次與第二次沉降量之和;新路基的最終沉降為瞬時沉降、主固結(jié)沉降與次固結(jié)沉降量之和。所以拓寬路基的最終沉降包括舊路基與新路基的最終沉降量之和。

假設地基計算深度E,平均變形模量為Se為

(1)

式中:σz為土層的平均附加壓力,MPa。在此工程施工過程中,平均變形模量為2.5 MPa,根據(jù)前述已知的地基計算深度,結(jié)合公式(1)可得到老路地表的總沉降為0.27 m。

根據(jù)圖2可知,新路基的分布為平行四邊形,而其表面的荷載分布形式主要為梯形荷載,因此,結(jié)合新路基的附加應力,得到新路地表總沉降St為

圖2 路基差異沉降觀測結(jié)果

St=(k1+k2+k3)P1+(k4+k5+k6)Pa

(2)

式中:k1、k2、k3分別為舊路基三個三角形分布區(qū)荷載的附加應力系數(shù);P1為沿深度方向舊路基的附加應力,MPa;k4、k5、k6分別為舊路基三個矩形分布區(qū)荷載的附加應力系數(shù);P2為沿深度方向新路基的附加應力,MPa。通過前述數(shù)據(jù)計算新路地表的總沉降為0.23 m。

根據(jù)以上兩式可以計算得到新老路基的差異沉降為

ΔS=St-Se

(3)

利用上式計算即可得出路基底面下地基各層的沉降總和,即路基的最終差異沉降為0.04 m,可為差異沉降控制措施的研究提供數(shù)據(jù)基礎。

3.3 差異沉降控制措施

基于以上分析,得到路基差異沉降的主要原因為地基的不均勻變形,因此優(yōu)化地基處理技術以減少新老路基的不一致沉降是解決新老路基不均勻沉降的根本。

由于工程所在區(qū)段的土質(zhì)存在少量軟土地層,厚度不超過5 cm,因此可采用復合地基處理技術來減少差異沉降。其主要原理為:沿地面高程方向向下對土層開挖,將其中的軟土層利用強度高、透水性較差的圓礫與粉煤灰替代,并采用壓實機壓實,提高路基的承載力,減少路基基床底層的沉降變形。

將拓寬的路基部分的表面碎石與殘渣進行徹底清除并開挖臺階,在臺階的下2/3處鋪設土工格柵,將碎石墊層壓實;為保證路基基床的壓實度達到控制標準,采用沖擊壓路機進行壓實,確保壓實度不小于90%,壓實范圍為基床表層到邊坡的坡腳外側(cè)。當路基周邊存在地下管道與其他構(gòu)筑物或斷面寬度無法支持沖擊壓實時,此時采用壓實機進行壓實,并在壓實范圍周邊開挖隔振溝,同時鋪設的土工格室應延伸到室內(nèi)深調(diào)節(jié)的內(nèi)邊緣。

4 應用效果分析

項目位于沙堤區(qū),軟土分布廣泛。由于土路拓寬工程的變形率和變形量高于道路工程,容易產(chǎn)生較大的總沉降和不均勻沉降,對拓寬路基的安全性影響較大,更容易造成道路路面縱向開裂等不良工程病害。因此,考慮到路基的不利工程特性,本項目擬采用比現(xiàn)行線路擴建的一般沉降標準更高的控制標準。確定本工程沉降控制標準為:工后沉降計算期不小于15年,加寬路基工后沉降不大于5 cm。

路基沉降監(jiān)測采用DSOS級高精度數(shù)字水準儀、千分尺和古鋼尺,按照國家二級標準要求進行測量,視線高度大于0.3 m。在臺階或基面上開挖一個約40 cm的基坑,覆蓋第一段PVC管,并用小型壓實機或手動壓實。注意沉降管的垂直度,防止機械碰撞和損壞。舊路基的觀測點位于舊路基坡頂向內(nèi)20 cm處,新路基的位移觀測點位于新路基和舊路基下方的地基交界處。利用公式(3)計算路基的差異沉降,并繪制差異沉降隨時間變化曲線,如圖2所示。

隨著觀測時間的推移,路基的差異沉降值逐漸升高,當路基拓寬時間為50 d時,填筑路基斷面的沉降量為3.21 cm,達到了沉降最大值,但仍處于控制目標范圍內(nèi)。由此可以說明,地基處理加固技術能夠有效控制路基差異沉降,提高路基的整體穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

依托于武陵山大道拓寬工程,對工程拓寬施工的路基差異沉降的產(chǎn)生機理進行深入分析,借助有限元分析軟件,基于計算模型與差異沉降值,提出地基復合處理控制技術,經(jīng)過實際工程應用表明,該控制措施可有效改善路基差異沉降變形,當路基拓寬時間達到50 d以后,路基的差異沉降達到最大值3.21 cm,且不再繼續(xù)增大,能夠控制路基差異沉降處于目標范圍內(nèi),確保道路拓寬工程能夠向著高質(zhì)量高效化的方向建設。