高速公路高填方濕陷性黃土路基拓寬不均勻沉降處治技術研究

陳莉（中鐵十八局集團第四工程有限公司，天津300350）

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高速公路高填方濕陷性黃土路基拓寬不均勻沉降處治技術研究

陳莉
（中鐵十八局集團第四工程有限公司，天津300350）

[摘要]本文將我國某地區的某高速公路其中一段路段作為實驗對象，通過對它的研究實驗結果，分析了在高填方淺層濕陷性黃土路基拓展工程中所出現的不均勻沉降現象，并闡述了應對該現象的兩種處治技術——砂樁法與預壓法。

[關鍵詞]高填方淺層濕陷性黃土；高速公路；路基拓寬工程；不均勻沉降

高速公路拓寬工程目前十分常見，但是在此工程中很容易由于重整新老地基而出現道路橫坡比變化、新老路基結合處滑移、路面結構破損或者新老路堤結合不良等嚴重病害，而新老路基的差異性沉降就是這些病害產生的根本原因。

一、工程概況

1.路基拓寬項目基本工程概況

該公路是某省高速公路的西段，是省內高速公路網絡的重要組成部分。2006年，該高速公路作為跨省域交通基礎的建設規劃項目而開工，線路全長200.50km，行車速度為100km/h，路基寬度為26m，在該省及周邊省份的高速公路網絡中占據著相當重要的地位。

2015年，該高速公路A路段將實施舊路改造加寬工程，因此，在此次工程中，A路段將充分利用到原一級公路所采用的線位，為A路段兩側加寬翻新。

2.地貌條件

該公路A路段所在周邊地區的地貌主要以侵蝕中山為主，其海拔在800～1400m以上，由于山峰高程超過2000m，所以某些路段存在35°～50°左右的谷坡坡度，山勢較為陡峭。該路段地貌的一大特色就是其土質均為山坡積土，而且以黃土類粉質亞砂土為主要成分，局部路段則主要以河溝洪積沖積層砂礫為主，所以該路段的地基具有濕陷性黃土屬性。

另外，它的水文地質情況較為簡單，整個工程沿線的地下水賦存與分布較為豐富廣泛，主要受到地質地貌構造、巖性、氣候與古地貌條件所控制。而且依據其地下水的賦存方式與水力學特征來看，該區域的水文地質狀況主要包含了基巖裂隙水與松散沉積物孔隙水兩種類型，且水位埋深都在1.5～3.5m范圍內。

3.氣候條件

該公路所處地區冬季寒冷，極端最低氣溫可達- 31.5℃。十月末段就開始降雪，到第二年四月才完全解凍，所以該地區的黃土地質也呈現獨特的非自重濕性屬性。再者，豐富且較高的地下水水位與冬季的超低氣溫也為公路路基的拓寬工程帶來困擾，必須對它進行快速處理，才能避免由于表層黃土濕陷性沉降和地基土凍脹效應所帶來的新老路基差異性沉降。

二、新老路基差異沉降實驗

1.實驗路段概述

實施該高速公路A路段的新老路基差異沉降實驗，目的就在于探究解決這種沉降的處理方案。本實驗基于該高速公路的9個路段開展實驗，本文就截取了A路段中的某一段進行分析，樁號分別是K50+500～600以及K50+600～700，均要實施雙側拓寬，且填方高度在6.5m。兩路段都是典型的濕陷性黃土淺層，濕陷屬性等級I級，屬于輕微濕陷性黃土路基結構。

2.數據監測標準

首先，在填土前要按照測試初始數據進行記錄。其次，每填一層土都要實施連續3天的監測，如此監測3次共9天。再次每隔一周監測一次，持續3次。最后，每隔一月監測一次，持續監測3次。

根據上述數據，由于是針對濕陷性淺層黃土的路基拓寬項目，所以選擇了可處理500cm深度、樁徑在40cm左右的砂樁三角布樁方法，保持樁間距離在1.2～1.5m左右；另外還選擇了預壓法，即在對路基拓寬施工后的填筑完成之后在新老路堤的結合處進行預壓，一般預壓高度都在3.5～4m左右。

三、基于砂樁法的高填方濕陷性黃土路基拓寬不均勻沉降處治技術

本文對該高速公路A路段的路基拓寬工程選擇了砂樁法與預壓法兩種方法來解決不均勻沉降問題。其中，應用砂樁法的路段為K50+500～600段，所采用砂樁直徑為40cm，它從原地面起建設，樁長為5m，樁間距保持在120cm，采用了梅花布樁方式。該路段的施工從路基外側逐漸向舊路方向延伸，并采用了級配粒徑為＜10cm的砂礫。如圖1：

圖1 K50+500～600段砂樁法施工工程示意圖

1.擠密砂樁的施工

本文采用了砂樁法中的擠密砂樁對K50+500～600段進行施工。擠密砂樁在成樁過程中會通過樁管對周圍的土層產生較大的橫向壓力，這種壓力擠壓了樁管周圍砂土與粉土層之間的孔隙比，讓土層的密實度有所增大，這樣就可以一定程度上降低黃土的濕陷效應。同時，在成樁后要進行排水減壓工序。該路段地下水較為豐富，要在土體中建立有效的排水通道，保證控制填土過程中的超凈水壓力不超出范圍而導致對地基固結沉降的加速。另外，砂樁周圍土層密實度的增加也取代了原有的不良地基土，形成了結構更為復雜的復合型地基，提高了地基的承載力，也降低了地基沉降的可能性。

基于上述條件，砂樁法在此處設置了兩個觀測斷面，它們分別在K50+500（主觀測斷面）與K50+550（輔助測斷面）兩段。在砂樁施工完畢后，對砂樁強度采取了靜力觸探法來實施檢測，設置6個檢測點。經測驗結果，最高強度為255kPa，最低強度為190kPa，平均強度保持在235kPa。

2.對沉降變形的結果分析

基于原位測試的結果發現，K50+500段的新老路肩在不同程度上出現了沉降伴隨填土高度、沉降深度以及沉降時間而變化的曲線狀態。這里假設深度為20m處的地基土層是不沉降的，就可以采用管底標高方法對磁環標高展開推算。該計算方法對20m以下土層的沉降情況不予考慮。同時，對K50+550段的老路肩深層沉降管進行修復。因為該段的沉降管出現了堵塞現象，只能檢測到地下5～8m左右，所以這里假定6m處為不動沉降基準點，就可以計算出地基沉降與實際沉降的沉降值是不符的，因而所測得的沉降量就出現偏小的現象。

在對K50+500斷面進行高填方填土過程中，隨著填土高度與時間的不斷增加，地基的沉降也會隨之加大，直到填土完畢以后，沉降才可能趨于穩定。但通常情況下，要等填土、沉降測試完畢約20天左右，沉降才能達到完全穩定狀態。另外據觀測，在K50+500段，其新路肩的最大沉降量大概在45mm左右，但它在15m處依然伴有較大沉降，這說明在20m以下的距離依然有沉降發生。所以根據分析可以得知，如果20m以下的沉降量不能穩定，就證明其實際的沉降量一定會大于45mm。另一方面也對老路肩的沉降量進行了測試，其最大沉降量為21mm，可見新老路肩之間的沉降差異已經超過20mm，這一結果顯然不符合現實狀況。經查明，是由于后期路堤填土所產生的沉降未被記錄。如上文所提到，K50+550段的老路肩深層沉降管出現了堵塞現象，所以只能記錄到6m深度范圍的沉降效果。在對6m深度進行了老路肩的沉降量測試發現，沉降量達到25mm，這說明老路肩的沉降量應該超過25mm。

綜合以上兩方面考量可得出結論，K50+500～600段的新路肩沉降＞45mm，老路肩沉降＞25mm。

3.基于孔隙水壓力的沉降結果分析

由于地下水活躍，所以K50+500與K50+550兩斷面都出現了不同時間段的孔隙水壓力隨填土荷載所發生的變化曲線。但是也發現，孔隙水壓隨填土荷載所發生的變化關系規律性并不強，這是因為對砂樁加載完畢后孔隙水壓力也逐漸消散的緣故，也說明了該土層中的土體快速完成了排水固結。這一效應也延緩了路基土層的沉降速率，并在孔隙水壓力完全消失之后，沉降也趨于穩定。

四、基于預壓法的高填方濕陷性黃土路基拓寬不均勻沉降處治技術

1.超載預壓處理

K50+600～700段采用的不均勻沉降處治技術是超載預壓處理拓寬部分地基。根據施工要求，要在路基填筑結束后對新老路基的結合處進行超載預壓，其預壓高度保持在3.5～4m左右，預壓時間則設置為100天。由于在長期的預壓作用下，濕陷性黃土土層會出現孔隙率降低且濕陷效應改善的結果，所以該段地基也可以在超載預壓的作用下實現提前固結，明顯減小施工后新老路基之間的差異沉降現象。本工程中依然為K50+600～700段設置兩個斷面，即K50+600輔助觀測斷面以及K50+650主觀觀測斷面。

2.施工后對沉降變形結果的分析

在施工以后對K50+600與K50+650兩預壓段斷面進行地基分層沉降的荷載測試，發現隨著沉降荷載與實踐的變化，其沉降曲線也會隨之變化。另外，地基分層沉降也會跟隨所沉降的深度而出現曲線變化。

較為重要的一點是，基于預壓法路基預壓段沉降明顯比砂樁法處理后的路基土層沉降更大，所以基于預壓法下的沉降穩定時間要比砂樁法處理過的路基土層沉降穩定時間更長，需要約60天時間才能趨于穩定狀態。

3.路基水平位移結果的分析

對K50+600～700段路基進行了水平位移隨深度變化曲線的分析發現，在對路基拓寬的路堤填土過程中，拓寬路基部分的整體位移量不會太大，最大側向位移也不會超過2mm。如果所施加的預應壓力超載，則其側向位移可能會增加到7～10mm左右，但是在超載作用下，路基的沉降變化曲線依然會保持在穩定狀態，這就說明K50+600～700的路基是相對較為穩定的，它發生路基失穩而被破壞的可能性很小。

本文簡要對該公路A路段的K50+500～600與K50+600～700段高填方濕陷性黃土路基應用了砂樁法與預壓法兩種路基拓寬不均勻沉降處理方法。在實驗與方法實施過程中發現，砂樁法在處理地基沉降方面的效果明顯優于預壓法，這說明砂樁法對于增加路基的抗剪切強度，抑制橫向及側向位移壓力是更為有利的。再者，砂樁法的砂樁擠密施工可以快速增加土層的密實度，加大路基的承載力，這也是預壓法所不具備的。所以考慮到高速公路的嚴格工期要求，砂樁法應該更符合高速公路拓寬工程實際需要。

參考文獻：

[1]丁錄玲.高速公路拓寬工程新老路基不均勻沉降計算與對策分析[D].東南大學，2010：33- 35.

[2]王健.高速公路高填方濕陷性黃土路基拓寬不均勻沉降處治技術[J].河北建筑工程學院學報，2014，32（4）:11- 18.

[3]徐婧.山區高速公路拓寬路基不均勻沉降處治技術研究[D].長安大學，2013：34- 51.

[中圖分類號]TU

[文獻標識碼]A

[文章編號]1673- 0046（2016）1- 0148- 03