公路路基沉降計(jì)算及病害控制措施分析

井正洋 （中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心河南總隊(duì)，河南 信陽 464000）

路基作為公路工程的基礎(chǔ)，一旦出現(xiàn)下沉，將導(dǎo)致路面應(yīng)力分布不均，進(jìn)而引發(fā)一系列病害。造成路基下沉的常見原因包括振動(dòng)液化、抽取地下水、車輛載荷、自然沉降等。沉降計(jì)算能夠從理論層面探索病害成因，并且為制定控制措施提供依據(jù)，故本文結(jié)合實(shí)際案例對(duì)其展開研究。

1 公路病害調(diào)查

某高速公路于2012 年建成通車，全長為708km，路基寬度為26m，設(shè)計(jì)行車速度為100km/h，采用雙向4 車道設(shè)計(jì)規(guī)格。在2022 年6 月的路況調(diào)查中，發(fā)現(xiàn) K675+580～K675+680 路段、K677+130～K677+340 路段存在較為嚴(yán)重的路面沉陷和開裂，最大沉降量約為30cm，裂縫長短不一，最長的裂縫為177m，最寬的裂縫為15cm。通過鉆孔試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，確定了路面開裂、沉陷的主要原因是路基下沉，為了防止各類病害進(jìn)一步擴(kuò)大，將路基沉降控制作為治理重點(diǎn)。

2 不同條件下的公路路基沉降計(jì)算

2.1 沉降計(jì)算模型及參數(shù)

在沉降計(jì)算中將K675+580～K67 5+680 路段的路基作為分析對(duì)象，其寬度為26m，按照1:2 進(jìn)行路堤放坡。地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果顯示，路基土層結(jié)構(gòu)從上到下分別為粉砂、細(xì)砂、粉質(zhì)粘土、砂礫、粉砂，各層對(duì)應(yīng)的厚度為1.3m、5.5m、4.5m、3.5m、11.9m，巖土物理學(xué)參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算模型的巖土物理學(xué)參數(shù)

2.2 天然狀態(tài)下的路基沉降計(jì)算

該地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8 度，根據(jù)《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T B02-01-2008)，當(dāng)?shù)鼗嬖陲柡蜕巴粱蛘唢柡头弁習(xí)r，除6 度設(shè)防外，應(yīng)實(shí)施振動(dòng)液化判別[1]。

2.2.1 液化判斷

在振動(dòng)液化判斷中，可運(yùn)用抗液化剪應(yīng)力法、地震液化初判圖法進(jìn)行綜合判斷，目的是確定是否需要考慮地基在地震作用下的液化效應(yīng)。以抗液化剪應(yīng)力法為例，其判別過程如下。

計(jì)算地震所引起的土層等效循環(huán)應(yīng)力比（記為CSR），計(jì)算表達(dá)式為：

式中：αmax為地震作用下地面的最大加速度；σr0、σ*r0分別為上覆土層的總應(yīng)力和上覆土層的有效應(yīng)力；g為重力加速度；γd為應(yīng)力折減系數(shù)。將砂土的抗液化強(qiáng)度記為CRR，則該參數(shù)的計(jì)算方法為：

式中：將修正標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)記為(N1)60，該參數(shù)表示有效上覆壓力為100kPa，落錘能量比為60%。

當(dāng)CRR≥CSR時(shí)，地基在地震作用下會(huì)出現(xiàn)液化；當(dāng)CRR＜CSR時(shí)，則地基不會(huì)液化。經(jīng)過多種方法的綜合判斷，該公路地基不存在振動(dòng)液化風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 路基總沉降量計(jì)算

研究過程運(yùn)用分層總和法計(jì)算路基的總沉降量，計(jì)算表達(dá)式為：

式中：Si表示第i層土的壓縮量；n表示土層的數(shù)量；第i 土層的厚度記為Hi；e1i代表第i層土的自重應(yīng)力平均值在e-p曲線上的孔隙比；e2i代表第i層土自重應(yīng)力平均值和附加應(yīng)力平均值之和在e-p曲線上對(duì)應(yīng)的孔隙比，其中e-p曲線是土體壓縮試驗(yàn)得到的孔隙比與土體壓力值的二維坐標(biāo)關(guān)系曲線[2]。

2.2.3 計(jì)算結(jié)果示例

表2 為地基厚度與沉降量之間的關(guān)系(部分?jǐn)?shù)據(jù))，由表可知，隨著地基厚度的增加，總沉降量也在增加。

表2 地基深度與最大沉降量的關(guān)系（單位：m）

2.2.4 沉降計(jì)算的結(jié)論

第一，在無載荷的自然狀態(tài)下，該路基的最大沉降量約為0.256m；第二，路基沉降速度在前期較快，隨著時(shí)間的延長，沉降速度逐漸下降，直至穩(wěn)定；第三，路基沉降呈半橢圓形，路面中心線的沉降量最大。

2.3 車輛載荷作用下的路基沉降計(jì)算

2.3.1 計(jì)算原理分析

通常地基沉降量由瞬時(shí)沉降、次固結(jié)沉降以及主固結(jié)沉降組成。瞬時(shí)沉降發(fā)生在建設(shè)階段，次固結(jié)沉降由基土骨架緩慢蠕變引起，該公路項(xiàng)目投入運(yùn)營多年，可忽略瞬時(shí)沉降和蠕變作用。主固結(jié)沉降是土體的壓縮變形量，與孔隙水的轉(zhuǎn)移和流失存在關(guān)系[3]。車輛載荷所產(chǎn)生的力主要作用在路基的中上部，并且作用力垂直于路面，可近似計(jì)算出垂直應(yīng)力，計(jì)算方法為：

式中：P為側(cè)輪軸載荷；K為系數(shù)（取值為0.5）；Z為載荷中心應(yīng)力作用點(diǎn)的深度；σZ為垂直應(yīng)力的近似值。路基土體具有自重，當(dāng)路基深度達(dá)到Z時(shí)，將基土自重所引起的垂直應(yīng)力記為σB，則σB的計(jì)算方法為：

式中：γ為土的重度。在車輛載荷(σZ)與土體自重（σB）的雙重作用下，開展土體壓縮試驗(yàn)，得到相應(yīng)的e-p曲線，再按照分層總和法計(jì)算出各層的壓縮量[4]。

2.3.2 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)該道路的實(shí)際運(yùn)營情況，載荷引起的病害主要來自重載車輛，在計(jì)算過程中選用掛車-120 級(jí)載荷，其車輪對(duì)路基產(chǎn)生的垂直應(yīng)力為56.818kPa，車輪與路肩的距離為2m。沉降試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果如下：

車輛載荷作為附加應(yīng)力，其對(duì)路基的作用深度可達(dá)到25m，粉砂、細(xì)砂以及粉質(zhì)黏土層壓縮模量較小，對(duì)壓縮量的貢獻(xiàn)最大；

在車輛載荷作用下，路基最大沉降量為30.5cm，比自然條件下的最大載荷增加4.9cm；

隨著時(shí)間的推移，路基沉降速度先快后慢，直至趨于平穩(wěn)，具體見表3。

表3 路基沉降量與沉降時(shí)間的關(guān)系

3 路基病害控制措施及數(shù)值模擬

3.1 控制措施

由以上分析可知，該道路工程路面開裂與沉陷的主要原因?yàn)槁坊两?，因而病害控制措施以防治路基沉降問題為重點(diǎn)。經(jīng)過深入的調(diào)查，K675+580～K6 75+680 和K677+130～K677+340 路段的沉降與當(dāng)?shù)卮罅砍槿〉叵滤嬖诟叨汝P(guān)聯(lián)。因此，制定病害控制措施如下。

①對(duì)抽水活動(dòng)進(jìn)行監(jiān)管

該地區(qū)抽取地下水用于農(nóng)田灌溉，屬于合理的用水需求。監(jiān)管措施為控制抽水強(qiáng)度，避免短期內(nèi)集中大量抽水。

②鋼花管注漿

針對(duì)已經(jīng)下沉的路基，采用鋼花管注漿技術(shù)進(jìn)行治理。方法是將鋼花管打入路基的土體中，在壓力注漿泵的作用下，將水泥漿液注入路基土體，注漿完成后割除高出地面的注漿管，水泥漿液可顯著提高路基的物理學(xué)性能，進(jìn)而強(qiáng)化路基的穩(wěn)定性[5]。

3.2 數(shù)值模擬

3.2.1 建立數(shù)值模擬的模型

為了評(píng)估路基沉降治理措施的工程效果，利用FLAC 3D 6.00 軟件對(duì)其開展數(shù)值模擬，建模過程如下。

①路基注漿模型

注漿過程采用兩種方式，分別為鋼花管注漿和普通注漿。鋼花管注漿的橫縱間距分別為2.0m、1.5m，普通注漿的橫縱間距均為2.0m，注漿管均采用梅花形布置方式，鋼花管注漿布置在外坡角，普通注漿在路堤范圍內(nèi)。路基寬度、路堤高度分別為26.0m、3.3m，按照1:2 進(jìn)行放坡，各地質(zhì)土層的厚度與路基實(shí)測情況保持一致。

②基本假設(shè)

第一，路基土體為分層結(jié)構(gòu)，符合Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則；第二，鋼花管為線性的彈性體；第三，忽略路基基土的排水固結(jié)效應(yīng)。

3.2.2 模擬條件及結(jié)果

①初始狀態(tài)

模擬的初始狀態(tài)包括抽水活動(dòng)導(dǎo)致的地下水水位下降和車輛載荷，水位下降設(shè)定為5.0m，車輛載荷為掛車-120級(jí)。

②模擬工況

工況是指注漿深度，增加注漿深度能夠提高路基的穩(wěn)定性，但也會(huì)顯著增加治理成本。在模擬過程中采用三種注漿深度，分別為10m、15m以及20m。

③模擬結(jié)果

通過軟件模擬不同注漿深度下的路基最大豎向位移和最大橫向位移，并且對(duì)比不注漿深度對(duì)應(yīng)的路基位移量，得到結(jié)果如表4 所示。路基沉降與沉降時(shí)間的模擬結(jié)果見表5。

表4 數(shù)值模擬數(shù)據(jù)

表5 沉降量與沉降時(shí)間的模擬結(jié)果

④結(jié)果討論

第一，從表4 的數(shù)據(jù)可知，增加注漿深度明顯降低了路基的豎向沉降量，同時(shí)有利于抑制水平方向的變形。

第二，從表5 的數(shù)據(jù)可知，路基達(dá)到沉降穩(wěn)定所需的時(shí)長與注漿深度呈負(fù)相關(guān)，注漿深度越大，路基越早達(dá)到穩(wěn)定。

第三，注漿措施對(duì)阻止路基沉降具有良好的效果，可用于處理公路路基沉降病害。

4 結(jié)語

本文通過沉降計(jì)算發(fā)現(xiàn)該公路的路基不存在振動(dòng)液化的問題，導(dǎo)致其路基下沉的主要原因是大量抽取地下水和車輛載荷。針對(duì)已經(jīng)開裂、沉陷的路基，采用注漿措施進(jìn)行加固處理，可綜合運(yùn)用鋼花管注漿和普通注漿。經(jīng)過數(shù)值模擬，注漿深度為20m 時(shí)，路基沉降量最小，僅為不注漿時(shí)沉降量的48.53%，說明控制措施效果顯著。