軟土地基公路改擴建沉降控制標準及方法研究

熊　偉

(湖南岳常高速公路有限公司　岳陽　414000)

軟土地基公路改擴建沉降控制標準及方法研究

熊偉

(湖南岳常高速公路有限公司岳陽414000)

摘要針對軟土地基公路的改擴建方式，分析了改擴建工程中路基的變形特點，從路面材料的抗拉強度考慮，利用有限元計算的方法，提出差異沉降的控制標準；根據此標準，為避免路基填土較高的段落出現縱向裂縫，提出老路基邊坡處設置預應力管樁或攪拌樁等復合地基的處置方案。

關鍵詞高速公路改擴建沉降軟土地基處理

在我國尤其是東部沿海已經建成使用的公路中，有相當一部分是修建在軟土地基上，由于我國東部經濟的快速發展，車流量接近或超過設計的流量，需要對其進行改擴建。對這類公路的擴建加寬就必然涉及到新老公路的路堤的拼接，常用的拼接方法主要有圖1的2種方式。由于原有公路路基經過多年運營，路基的工后沉降已基本完成，此時在其邊坡上進行擴建加寬，新填的土方和運營后的汽車荷載必然會引起既有路基的附加沉降，在既有路堤不同位置其附加沉降量也不同，從而引起老路表面橫坡的改變，該差異沉降可造成路面縱向裂縫的產生，造成路面的破壞，影響道路的服務性能[1]。

a)　完全拼接形式

b)　不完全拼接形式

在路基的拼接過程中，拼接路基寬度、路基高度、軟土厚度及路基剛度等對沉降變形特性均會產生一定的影響。利用有限元的方法可以模擬施工過程中的孔隙水壓力及沉降的變化。以某高速公路為例，以填高為6 m的部位為計算斷面，考慮新老路基的時間差，模擬施工過程中孔隙水壓力的變化，圖2為地面以下3 m老路基坡腳的孔隙水壓力變化，從圖中可以看出在老路基施工8年后地基的附加孔隙水壓力已經消散，但隨著新路基的施工，地基的附加孔隙水壓力也明顯增加，故地基的附加沉降量也將明顯增加。圖3為加寬前后的沉降量變化圖，由圖可以看出，隨著新路基的施工，老路基的附加沉降也明顯增加，加寬后最大沉降量發生在新路基的形心處。

圖2老路坡腳孔隙水壓力的變化情況(地面下3 m)

圖3路基拓寬前后的沉降量變化

1拼接段沉降控制標準研究

具有較高壓實度的路基，經過長時間的運營，可近似認為是半剛性結構，當處于軟基段的路堤縱橫坡增大時，會引起路堤內拉應力的產生，當拉應力的值達到路堤的極限拉應力時，必將引起路堤的開裂[2]。在結構分析時，以4車道高速公路為例，路肩與路中的距離為13 m， 假定路堤為彈性力學中的平面應變體，層與層之間為完全連續，基層層底與地基頂面的豎向應力和豎向位移連續，材料參數及各結構層的厚度采用目前高速公路路基路面中的各項指標。運用有限元程序進行計算。表1列出了路基路面材料參數，以此計算了在路面結構自重及發生不均勻沉降條件下路面結構層上、下層中的應力, 其結果列于表2，分析表2可知在差異沉降2～6 cm范圍內，瀝青混凝土所受的力全部為拉應力, 并且水泥穩定碎石層層底的彎拉應力大于二灰碎石層層底的拉應力。這主要是由于水泥穩定碎石層的剛度大于瀝青混凝土面層與二灰碎石層的剛度，由此說明不均勻沉降對路面結構影響主要是剛度較大的層次, 剛度愈大，影響愈大。為此應以水泥穩定碎石基層底的彎拉應力作為控制標準，隨著不均勻沉降的增大, 基層底的彎拉應力逐漸增大。一般來說，當水泥摻量達到5%時，水泥穩定碎石90 d的劈裂強度達到0.8 MPa，瀝青混凝土的劈裂強度在1.2 MPa。從路面基層的受力分析，在加寬過程中，如果不均勻沉降超過允許值，基層應最先出現破壞，繼而引起瀝青路面的裂縫。

表1　瀝青混凝土材料參數

表2　不均勻沉降引起路面應力增加計算結果　MPa

由表2可見, 當沉降差為5 cm時, 半剛性基層底的彎拉應力為0.8 MPa，則5 cm的沉降差所引起的基層附加應力已經達到基層最大的抗拉強度，當沉降差為5 cm時, 其沉降坡差為0.04/(26/2)=0.4%，已經達到路面基層的最大抗拉強度。當路面的沉降差為6 cm時，其基層的拉應力為0.83 MPa，略大于基層的抗拉應力。故在進行老路基加寬時，應以橫坡的改變量作為控制標準，保證其工前及工后的橫坡改變量在0.4%以內， 即在施工過程中，為保證老路基不出現縱

向裂縫，應控制其橫坡改變量小于0.4%。

2老路邊坡軟土地基處理方法

軟土地基上高速公路擴建工程中，拓寬路堤的填筑將會引起老路不同位置的附加沉降量，即使軟土較薄，也會引起老路基較大的附加沉降量，可能導致路面的橫坡比改變值超過路面結構抗拉應力的容許值所對應的差異沉降量，從而引起路面結構性破壞和路面服務性能的降低。故拓寬部分路堤施工中應該選取合理的軟土地基的處理方法，并根據需要選擇新老路堤接合部處治措施，以減少新路路堤填筑引起的老路堤的附加差異沉降。在常用的軟土地基處理中，對于軟土厚度較薄且處于表層的軟土，一般采用換填的方法，而對于軟土較厚的段落，則采用攪拌樁及管樁的復合地基處理方法，在高速公路建設中，對于軟土厚度小于15 m的段落采用攪拌樁處理，對于軟土厚度大于15 m的段落采用預管樁處理。

隨著路基填高的增加，作用于老路邊坡上新路基的荷載也逐漸增加，該荷載容易引起老路橫坡的明顯改變，特別是加寬部分的形心位置，其沉降量最大。為減少老路基橫坡的過大改變量，應在新路基填筑到一定高度時在老路的邊坡上進行管樁或攪拌樁的施工，見圖4。

圖4　老路邊坡管樁位置示意圖(單位：cm)

在老路邊坡上設置了管樁后，可有效減少地基的總沉降量及老路橫坡的改變量。圖5為路基高度8 m,軟土厚度為6 m時在老路邊坡上是否設置管樁的沉降曲線圖,從圖中可以得出，老路邊坡設置了管樁后，可有效減小新加寬路基的沉降量及老路橫坡的改變量。所以，對于路基較高的段落,應根據計算的結果，在老路邊坡上設置管樁或攪拌樁,以減少老路橫坡改變量的發生,不能因為邊坡上管樁或攪拌樁施工困難而不設老路邊坡預應力管樁或攪拌樁。

圖5　老路邊坡設置管樁前后的沉降圖

3結論

(1) 根據半剛性基層的變形特點，提出在公

路改擴建的過程中，應以橫坡的改變量作為控制標準，使其工前及工后的橫坡改變量在0.4%以內，避免縱向裂縫的發生。

(2) 對于路基較高的軟土段落，應根據計算的結果，設置老路邊坡上的管樁或攪拌樁，以減少老路橫坡改變量的發生，絕不能因邊坡上管樁或攪拌樁施工困難而不設預應力管樁或攪拌樁。

參考文獻

[1]徐澤中.滬寧高速公路路基拓寬綜合處理技術研究[D].南京:河海大學，2004.

[2]周虎鑫.高等級公路工后不均勻沉降指標研究[J].東南大學學報,1996,26(1):54-56.