淺析高填方路堤沉降變形模式及成因機制

李 駿 黨安玉

高路堤的穩定直接表現為路基的沉降,國內外學者[1,2]對路基沉降問題的研究重點之一就是高填方路堤沉降計算和預估方法。首先必須對填土的工程性質有充分的認識,在此基礎上,對高路堤穩定與變形性狀進行系統深入地研究,才能建立不同形式高填方路堤沉降變形破壞機制及相應的計算與預測方法,本文對沉降變形模式及成因機制兩方面作了系統的闡述。

1 高填方路堤沉降變形模式

1)填料壓實度不足。路基施工時,天氣太干燥,局部路基填料粉碎不足,致使路基壓實度不均勻;暗埋式構造物處因構造物長度限制使路基邊緣不能超寬碾壓,致使路基邊緣壓實度不夠;有些超車道與行車道拼接段不同步施工,且拼接處理得不好;在路基施工中,當路基施工到一定高度以后,路基邊緣土體往往存在壓實度不足問題。這些情況都會導致路基發生不均勻沉降。由于壓實度不足,往往導致填方路基的不均勻沉降變形(見圖1),路基兩側出現縱向裂縫。

2)地基中存在軟弱土層。軟弱土層本身力學性能差,在具有一定厚度的條件下,在附加應力作用下,會發生固結沉降、次固結沉降和側向塑性擠出,導致明顯的沉降變形。

某高速公路A段和B段發生明顯的不均勻沉降變形和破壞,其地基中存在軟弱土層,其主要物理力學性能差,填筑土路堤之下具有天然含水率高(大于塑限,接近液限),天然孔隙比大(＞1.0),壓縮系數高(＞0.5 MPa-1,屬高壓縮性土),抗剪強度低(快剪:C＜27 kPa,φ＜58),承載力低(標準值小于907 kPa)等特點。非填筑區的地基軟土,其物理力學性能比填筑區的同類土更差,這可能與填筑區的地基土經歷了高速公路建設和運營中在外部荷載(填筑體和車載)作用下的壓縮固結過程,其性能有所改善有關。

一般來說,土層的天然含水量越高、天然孔隙比越大,則壓縮系數越大、承載力越低,則路基的沉降量和沉降差越大;抗剪強度和承載力越低,則側向塑性擠出甚至局部坍滑的可能性越大。

該段地基土體中軟土層還具有厚度、埋深、填筑土高度和寬度都大的特點。在高速公路中央分隔帶上,除A段ZK10和B段ZK21,ZK22三個鉆孔因位于原基巖裸露區未見軟土層外,其余鉆孔的軟土層的頂板埋深6.90 m～12.80 m,底板埋深14.9 m～28.5 m,厚度為5.5 m～17.60 m(一般都在8 m以上)。軟土層埋深較大,但經計算,均在壓縮層深度范圍以內(從填筑土層底部算起)。

比較這兩段沉降量等值線圖和淤泥質黏土等值線圖,可見,淤泥質黏土厚度大的地方,沉降量一般都比較大。

進一步的調查發現,該兩段路堤填筑區即是溝谷谷地所在區。這些部位在筑路前就是地勢低洼、地面平坦、坡降較小、積水嚴重的地方,當地人在這些地方種植水稻時都需要扁擔或谷草墊在其上才能載人,俗稱”爛板田”。在路堤建設初期,多采用碎塊石堆填、碾壓、局部夯填進行處治。路堤建成后就開始出現沉降變形和路基土擠出等現象。筑路后地表水只能從斷面很小的涵洞向谷地下游排泄,雨季必然排水更為不暢,地下水則更難以自然排泄。近期的勘探發現,路堤填土層之下的路基土層均位于地下水位之下,處于軟塑、局部流塑狀態,至今仍繼續沉降變形。這說明,地表水和地下水自然排泄困難,地基土未能固結,是地基土產生過強沉降和沉降差的重要原因(見圖2)。

碳酸鹽巖地區,路基下有時分布有巖溶洼地或漏斗,其中的沉積物松軟,在行車動載的作用下,沉積物壓實,側向流動和下陷,造成路基沉陷,如圖3所示。在昆明—瑞麗公路K2415+800 m段有一處屬這種類型。

3)路基剛度差異顯著。很多情況下,單從施工控制角度來說,地基處理滿足要求,路堤壓實度也能夠滿足設計要求,在路基及地基均勻時,路基沉降滿足《公路路基設計規范》要求,而且也不會導致路面開裂。但是,如果沿路基縱向或橫向路基綜合剛度相差過大,在路面動載等作用下,也會引起明顯的差異沉降,導致路面裂縫。屬于這種情況的有:橋頭與路基交接處,挖填交接處,填土厚度明顯變化處,路基中埋設構筑物(如涵洞)處,地基性質差別較大處。結構物剛度差異誘發的沉陷結構物的剛度不同是形成差異沉降的基本原因。橋臺屬剛性,沉降量極小,路基屬柔性,沉降量大,剛柔之間必然存在沉降差。這是誘發橋頭明顯沉陷的客觀原因。

2 高填方路堤失穩變形誘因

2.1 工程地質與地形

當路堤穿過溝谷時,溝谷中心往往填土高度最大,向兩端逐漸降低,在路堤橫斷面上,往往迎水面填土高度小于背水面。這樣也將由于填土高度不同而可能產生不均勻下沉,使路堤縱斷面方向路面中間低,兩頭高,橫斷面方向的路肩一側高一側低。原地基承載力差、土質天然密實度低,加壓時具有較大變形和可壓縮性。一個平均高度為20.0 m的高路堤,填土密度為2.20 g/cm3,地表層單位應力為431 kPa。再加上車輛的換算荷載,地表層的平均應力還要大一些,這樣就使原來那些認為是優良地基的部分也變為不良地基,造成路基沉降。

2.2 水文與氣候

如降雨量過大、洪水猛烈、干旱、冰凍、積雪或溫差過大等,都可能使路基填土(土石混合料、填石)中的細粒料流失,產生不均勻下沉。路基和路面的第一大損壞因素,是水的侵入和沖刷造成的損壞。我國大部分地區夏季、秋季暴雨集中、強度大,對高填方路堤施工非常不利。因此在冬、春季形成的高填方路堤,由于少雨、缺水難以保證最佳含水量,難以達到壓實要求,土的孔隙大。等到路槽形成時,又多在夏季和秋季,必然要遭受強暴雨的沖刷損壞。即使是路面形成后,當路面排水不善時,雨水侵入路堤,造成土路基浸水和軟化,局部下沉塌陷,導致路面早期損壞。

2.3 路基填料自身原因

對于采用土石混填路堤,因土石混合料中土石比的不同,其工程性質相差甚遠,如果土石混合料中土石比例不合適,將導致其強度降低,壓縮性增大,在路基施工和運營期間產生較大的沉降變形。若土石混合料中混入了種植土、腐殖土或泥沼土等劣質土,或土中含有未經打碎的大塊土等,由于這類土中有機物含量多、抗水性差、強度低等特性的作用,路堤將出現塑性變形或沉陷破壞。生產土石混合料或填石的巖石性質不一、級配不勻或就地爆破堆積,造成填料空隙率增大。這樣,在一定期限內(例如經過一個雨季)可能產生局部的明顯下沉。

2.4 路基防護工程不同步和防護工程不完善

高填方路堤路槽形成的時候,也是其最脆弱、最容易受暴雨毀壞的時候。對于填高5 m以上的路基,施工期間一般至少要經過一次夏季暴雨沖刷過程,而現在的高填方路堤一般施工方法均是超寬填筑,再刷坡,然后再防護,加上填筑土質易被沖刷,由于防護和路基施工的不同步,造成土路堤暴露,被暴雨沖刷。

3 結語

高填方路堤失穩變形的主要表現形式為路基不均勻沉降變形和邊坡失穩,其失穩變形特征可以歸納為以下幾點:1)路基填土壓實度不足,填土的先期固結壓力小于自重應力,填土將在自重作用下,繼續沉降,直至先期固結壓力等于自重應力。2)地基土體中存在飽和軟土層時,由于滲透固結和次固結需要一個較長時間,在公路通車后的一個較長時間內,沉降會持續進行。地基由于處理不當會導致不均勻沉降,引起路面病害。3)路基剛度差異,在車載等動態荷載下,在路面結構內可能造成較大的附加不利應力,導致路面破壞。剛度較小的路基也可能因車載作用發生明顯沉降。4)路基不均勻沉降的時空變化特征表明:一般沉降中心及附近處,不均勻沉降持續發展,沉降變形隨時間的發展有三種類型,即漸趨穩定型、等速發展型和加速型。

[1] 欒茂田.關于巖土工程中若干基本力學問題的思考[J].大連理工大學學報,1999,39(2):309-317.

[2] 龔曉南.21世紀巖土工程發展展望[J].巖土工程學報,2000,22(2):238-242.

[3] 何益祥.路基沉降預測分析[J].山西建筑,2008,34(4):288- 289.