高速公路路基差異沉降特性與控制措施分析

楊 龍 飛

(山西省交通建設(shè)工程監(jiān)理有限責(zé)任公司，山西 太原 030012)

1 路基差異沉降特性

1.1 差異沉降機(jī)理

一般情況下，高速公路加寬主要采用兩側(cè)對稱的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，但是由于新路往往晚于舊路幾年甚至幾十年施工，此時(shí)舊路已基本完成固結(jié)沉降與次固結(jié)沉降作用，地基基本趨于穩(wěn)定，而加寬部分在施工完成后必然需要經(jīng)過漫長的固結(jié)與次固結(jié)沉降作用，并且會延伸至運(yùn)營期內(nèi)，進(jìn)而導(dǎo)致路基發(fā)生差異性沉降。此外，基于新舊路基自身差異的分析，新路基在附加荷載作用下會于二者間產(chǎn)生一定的差異附加應(yīng)力，從而造成新舊路基產(chǎn)生新的差異沉降，此類情況對高速公路影響嚴(yán)重，如若未及時(shí)采取措施或措施不當(dāng)，則會使新舊路基因差異沉降過大而于拼縫處出現(xiàn)開裂甚至拉裂舊路路基的病害。

1.2 差異沉降特征

1.2.1豎向位移

高速公路舊路加寬之前，原有路基沉降特征主要表現(xiàn)為邊緣小、中間大，換言之便是道路中線處豎向位移大于邊緣部位，該特征與加寬路基沉降分布規(guī)律表現(xiàn)一致。而當(dāng)舊路加寬之后，原有路基沉降特征表現(xiàn)為邊緣逐漸增大，并且于新建路基某一深度處形成最大值，然后又呈逐漸減小趨勢，將該特征通過繪圖表示后，會發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)為鐘形。

1.2.2水平位移

對于水平位移的分析，舊路加寬之前原有路基最大水平位移出現(xiàn)在路基下方，而道路中線處路基則基本沒有水平變化，但在實(shí)施舊路加寬之后，新建路基則會出現(xiàn)最大值的水平位移，并且呈現(xiàn)為靠近新舊路基拼縫逐漸減小，遠(yuǎn)離新舊路基拼縫逐漸增大。

1.2.3豎向應(yīng)力

路基加寬過程中，路基頂面則會出現(xiàn)豎向應(yīng)力的最大值，并且隨著地基深度的增加，該豎向應(yīng)力向下呈逐漸減少趨勢；而當(dāng)豎向應(yīng)力最大值不斷增加時(shí)，其位置便會移動(dòng)至新建路基中心。

普通小球藻生物質(zhì)的水熱預(yù)處理強(qiáng)化了其VSS的水解和厭氧消化性能。在180℃水熱預(yù)處理?xiàng)l件下其VSS水解率和產(chǎn)甲烷潛能最大。其水解率和最大產(chǎn)甲烷潛能分別增加了56.5%和141%。將最佳的水熱預(yù)處理溫度180℃運(yùn)用于半連續(xù)反應(yīng)器的研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其產(chǎn)甲烷潛能為0.31L·g-1，比對照組高138%。水熱預(yù)處理可以降低藻泥中束縛水的含量，降低量為41.2%～61.7%。水熱預(yù)處理技術(shù)對改善普通小球藻厭氧消化具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ梢陨钊腴_展中試方面的研究。

1.2.4剪應(yīng)力

對比可知，路基加寬前后位于路基坡腳的最大剪應(yīng)力會出現(xiàn)增大趨勢，該現(xiàn)象的出現(xiàn)主要是因滑坡與坍塌所造成，因此實(shí)施路基邊坡加固，確保邊坡穩(wěn)定，可有效抑制新舊路基差異沉降的出現(xiàn)。

2 路基差異沉降原因

2.1 填方壓實(shí)度不足

基于高速公路使用性能與自身特性的分析，路基施工大部分為高填方形式，對壓實(shí)效果要求較高，壓實(shí)度控制嚴(yán)格，同時(shí)也是造成路基沉降的主要影響因素，主要表現(xiàn)為壓實(shí)度不足或壓實(shí)不均勻，致使高填方路基因不均勻沉降過大而出現(xiàn)差異沉降，該現(xiàn)象在山區(qū)高速公路表現(xiàn)最為明顯。受地形條件的限制，山區(qū)高速公路路基施工難以使用大型壓實(shí)機(jī)具，對于路基壓實(shí)只能依靠于小型機(jī)具甚至人工夯實(shí)(如與結(jié)構(gòu)物連接部位)的方式，致使高填路基因整體壓實(shí)度不足而出現(xiàn)較大沉降；另外，路基填料粒徑差異較大(如土石混合料存在較大石塊)，同樣也是造成壓實(shí)不均勻的主要因素。對于結(jié)構(gòu)物附近路基的壓實(shí)，基于結(jié)構(gòu)自身穩(wěn)定性與強(qiáng)度的考慮，一般會以換填的方式取代必要的補(bǔ)強(qiáng)措施，以此形成剛?cè)徇^渡段，但同時(shí)也因壓實(shí)度難以控制而形成薄弱環(huán)節(jié)，最終為路基不均勻沉降埋下隱患。

2.2 地基中存在軟弱土層

軟弱土層主要包括松散狀態(tài)的砂土層、流塑與軟塑狀態(tài)的黏性土層以及未經(jīng)處理的填土層，其力學(xué)性能表現(xiàn)較差(以高壓縮性最為明顯)，在一定厚度條件下，受附加應(yīng)力的作用，極易出現(xiàn)固結(jié)、次固結(jié)沉降和側(cè)向塑性擠出現(xiàn)象，從而引發(fā)較為明顯的沉降變形。一般來說，軟弱土層的沉降受其自身層厚、填土高度以及寬度的影響，層厚越大、填土越高且越寬，路基沉降量與差異沉降就越明顯。

對于地基過量沉降與差異沉降的產(chǎn)生，其主要是由地基因地下水和地表水排泄困難而難以固結(jié)所造成，此時(shí)地基如若處理不當(dāng)，穩(wěn)定性表現(xiàn)較差，特別是對高填方路基，上部荷載的增加極易使地基發(fā)生過量沉降，并最終表現(xiàn)為沉降差異和沉降不均勻。

2.3 填料成分不均勻

一般情況下，高速公路路基填筑通常是直接使用路塹開挖土或隧道掘進(jìn)棄土，其成分與級配差異較大且不穩(wěn)定，實(shí)際控制難度較大。在此情況下：

1)填筑層厚如若過大，便很難壓實(shí)軟弱物質(zhì)與小顆粒物質(zhì)，在荷載長期作用下，填料會因不協(xié)調(diào)沉降變形而產(chǎn)生差異沉降，該現(xiàn)象在剛性路面表現(xiàn)為局部沉降或開裂，在柔性路面則表現(xiàn)為局部沉降；

2)受回填料(特別是具有膨脹特征的回填料)性質(zhì)差異的影響，若路基排水系統(tǒng)局部失效，地表水的浸入會使路面因脹起而對行車舒適性造成影響，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致路面破壞。

3 路基差異沉降控制措施

3.1 強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法一般是將重量為100 kN～400 kN的夯錘以6 m～40 m的落距以自由落體形式對地基進(jìn)行沖擊與振動(dòng)，通過加密、固結(jié)與預(yù)加變形的共同作用，以此達(dá)到壓縮土體，提升地基強(qiáng)度的目的。夯錘自由下落過程中，通過重力勢能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化，落地瞬間部分動(dòng)能以聲波形式擴(kuò)散于四周，部分通過夯錘與地面的摩擦而轉(zhuǎn)化為熱能，剩余大部分則對土體產(chǎn)生振動(dòng)作用，迫使其內(nèi)部氣體排出，使土體重新實(shí)施定向排列。利用強(qiáng)夯法加固路基，其過程一般認(rèn)為經(jīng)歷4個(gè)階段：

1)夯能轉(zhuǎn)化，同時(shí)強(qiáng)制振密或壓縮土體；

2)土體液化或結(jié)構(gòu)破壞，以其抗剪強(qiáng)度降低或喪失為表現(xiàn)；

3)排水固結(jié)，以土體滲透性能改變、裂隙發(fā)展和強(qiáng)度提升為表現(xiàn)；

4)觸變恢復(fù)且伴隨固結(jié)壓密，土體強(qiáng)度繼續(xù)提升，部分自由水轉(zhuǎn)化為薄膜水。

在極短時(shí)間內(nèi)(幾十毫秒至一百毫秒)，強(qiáng)夯通過對路基土體巨大沖擊力量的施加，使沖擊能轉(zhuǎn)化為各種沖擊波傳遞至土體內(nèi)部，而依據(jù)于其在土中傳播與作用特性，這種沖擊波可分為面波與體波兩種形式。面波從夯擊點(diǎn)沿地表向四周傳播，對土體無加固作用，且豎向分量會使表層土松動(dòng)，傳播過程中相比于體波隨傳播距離的增加衰減幅度較慢；體波主要分為橫波與縱波，其以夯擊點(diǎn)為中心沿半球陣面?zhèn)鞑ビ诼坊钐帲孤坊馏w因剪切和壓縮作用而壓密固結(jié)。

由此可見，強(qiáng)夯主要是借助于夯錘對路基土體的沖擊作用促使土體動(dòng)力反應(yīng)的形成來達(dá)到加固效果，由于路基土為非彈性體，故而一定范圍內(nèi)的土體在經(jīng)動(dòng)力作用后會因其工程性質(zhì)的改變而實(shí)現(xiàn)加固。

3.2 土工格柵法

對于高速公路新舊路基結(jié)合處沉降差異的控制，土工格柵的應(yīng)用可使新舊路基因土體內(nèi)摩擦角的增大而形成一個(gè)整體性承重板體，以此提升路基剛度與承載能力，從而抑制反射裂縫的產(chǎn)生。土工格柵綜合效益的表現(xiàn)，不僅可以縮短施工周期、提升施工質(zhì)量，同時(shí)還可降低施工成本、延長公路使用壽命。

一般情況下，路基基底沉降所產(chǎn)生的應(yīng)力變化在路基拼接處最為明顯，而路床及路面則會產(chǎn)生最大拉應(yīng)力。基于路面縱向裂縫與橫向錯(cuò)臺的控制，路基拼接處土工格柵可設(shè)置于路床或基底兩部分。

3.3 設(shè)置分隔墻

新舊路基間分隔墻的設(shè)置，其作用為：

1)抑制舊路中心上抬，避免與加寬部分出現(xiàn)“錯(cuò)臺”；

2)有效改善新舊路基豎向沉降。實(shí)踐表明，對于地表附加沉降，分隔墻的設(shè)置可使道路中線及其兩邊15 m范圍內(nèi)減少大約50%，加寬部分減少大約20%；

3)降低加寬施工對原有道路橫坡的改變。調(diào)查現(xiàn)實(shí)，加寬路基施工過程中，當(dāng)未設(shè)置分隔墻時(shí)，其可改變原有道路橫坡1.0%左右，設(shè)置分隔墻后則會降至0.4%，應(yīng)用效果表現(xiàn)明顯。

4 結(jié)語

本文對于高速公路路基差異沉降特性以舊路加寬為重點(diǎn)實(shí)施了相關(guān)論述，以通用技術(shù)進(jìn)行了差異原因與控制措施分析，內(nèi)容涉及雖不全面，但在一定范圍內(nèi)具有實(shí)際指導(dǎo)意義。