高速公路改擴(kuò)建路段沉降觀測(cè)分析

陳 小 英

(山西晉通公路工程監(jiān)理有限公司，山西 晉城 048000)

1 路基沉降分析理論

高速公路改擴(kuò)建新路基施工后所產(chǎn)生的沉降包括瞬時(shí)沉降、主固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降，三者之和構(gòu)成最終沉降量。瞬時(shí)沉降是在路基填土中的水分和空氣尚未完全排出，外部荷載加載后產(chǎn)生的沉降。主固結(jié)沉降是在荷載作用在路基和地基上后，孔隙水隨時(shí)間不斷排出到路基以外所產(chǎn)生的沉降。瞬時(shí)沉降和主固結(jié)沉降是在路基施工過(guò)程中所產(chǎn)生的，次固結(jié)沉降主要發(fā)生在完工后。

本文主要對(duì)路基主固結(jié)沉降進(jìn)行研究，沉降分析理論基于太沙基固結(jié)理論。該理論主要用于求解一維有側(cè)限應(yīng)力狀態(tài)下，在外界荷載作用下地基土和路基土發(fā)生滲流固結(jié)過(guò)程中任意時(shí)刻的土骨架及孔隙水的應(yīng)力分擔(dān)量。

太沙基一維固結(jié)微分方程：

其中，Cv為土的豎向固結(jié)系數(shù)，cm2/s，其表達(dá)式為：

其中，k為滲透系數(shù)；γω為水容重；e0為孔隙比；a為壓縮系數(shù)；Es為路基土彈性模量。

從太沙基固結(jié)理論路基可以看出，在荷載的作用下，土層不斷固結(jié)，空隙水壓力不斷減小，路基土的有效應(yīng)力不斷增加，水分不斷從土體空隙中滲出，路基結(jié)構(gòu)產(chǎn)生壓縮變形，最終導(dǎo)致沉降的產(chǎn)生。

固結(jié)度是判斷路基固結(jié)程度的重要指標(biāo)，是施工過(guò)程中路基沉降量占路基總沉降量的百分比，用Ut表示，計(jì)算公式如下：

其中，α=P1/P2，P1為排水面處附加應(yīng)力，P2為非排水面處附加應(yīng)力，路基設(shè)計(jì)采用雙面排水，則α=1，如為單面排水(頂面排水)，則α=P1/P2；U0為初始孔隙水壓力；e為自然對(duì)數(shù)的底，e=2.718 2；Tv為時(shí)間因數(shù)。

如果地基在施工期間固結(jié)已完成，Ut=1，路基總沉降量就是路基施工過(guò)程中的沉降量。但實(shí)際中路基不可能在施工過(guò)程中完成固結(jié)，施工后還會(huì)產(chǎn)生次固結(jié)沉降。

2 工程概況

某高速公路全長(zhǎng)99 km，設(shè)計(jì)采用雙向四車道，路基寬度為26 m，設(shè)計(jì)車速120 km/h，個(gè)別路段設(shè)計(jì)車速80 km/h，近年來(lái)交通量增長(zhǎng)迅速，時(shí)常出現(xiàn)擁堵。為適應(yīng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展需要，對(duì)高速公路進(jìn)行擴(kuò)建，拓寬為雙向六車道，擴(kuò)建后路基寬度為34.5 m。

文章依托該高速公路擴(kuò)建工程路基第5合同段，起訖點(diǎn)樁號(hào)為K201+485～K207+835，全長(zhǎng)6.35 km。該合同段局部分布有軟土地基，沿線軟土軟塑～流塑狀，具有中高壓縮性，地基承載力嚴(yán)重不足。選取其中兩段作為試驗(yàn)路段，分別采用水泥攪拌樁和CFG樁進(jìn)行加固處理，并在施工過(guò)程中布置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行沉降觀測(cè)，確定路基沉降隨時(shí)間的變化規(guī)律，為路基穩(wěn)定性判斷提供參考依據(jù)。

3 路基沉降觀測(cè)與觀測(cè)結(jié)果分析

3.1 路基沉降觀測(cè)方案

路基沉降觀測(cè)每個(gè)斷面布置三個(gè)測(cè)點(diǎn)，新路基、新舊路基結(jié)合處和舊路基各一個(gè)點(diǎn)。其中新舊路基結(jié)合處和舊路基上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)沉降板，舊路基上布設(shè)沉降樁。沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示，其中測(cè)點(diǎn)2位于新路基中間位置，測(cè)點(diǎn)3距路基邊緣不少于1 m。

路基沉降觀測(cè)頻率取決于路基沉降速率，以保證沉降觀測(cè)能反映出路基的實(shí)際沉降。路基加寬段沉降速率較大，尤其是軟基段沉降速率更大，應(yīng)適當(dāng)增加沉降觀測(cè)次數(shù)，一般每填筑1層～2層或間隔5 d～10 d觀測(cè)1次。施工初期每月觀測(cè)2次～3次，待沉降穩(wěn)定后每月觀測(cè)1次～2次。施工中如上下兩層施工間隔時(shí)間較短，應(yīng)適當(dāng)增加觀測(cè)次數(shù)。

3.2 水泥攪拌樁處治段路基沉降觀測(cè)結(jié)果分析

本項(xiàng)目K204+210～K206+010段采用水泥攪拌樁處治加固，選取K204+440斷面和K205+440斷面作為觀測(cè)斷面，設(shè)置測(cè)點(diǎn)進(jìn)行沉降觀測(cè)。K204+440斷面路基填筑高度為7.1 m，K205+440斷面路基填筑高度為8.5 m，水泥攪拌樁地基處治深度均為8 m。采用精密水準(zhǔn)儀對(duì)兩斷面測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，繪制沉降—時(shí)間曲線如圖2，圖3所示。

從圖2，圖3曲線走勢(shì)可以看出，新路基上的測(cè)點(diǎn)1累計(jì)沉降量最大，最大值分別為7.42 mm，10.51 mm；其次為新舊路基結(jié)合處沉降點(diǎn)2，最終累計(jì)沉降量分別為4.12 mm，6.92 mm；舊路基上測(cè)點(diǎn)3累計(jì)沉降量最小，最終累計(jì)沉降量分別為2.6 mm，3.1 mm。根據(jù)沉降觀測(cè)記錄，日平均沉降最大值0.59 mm/d，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的10 mm/d，說(shuō)明路基填筑施工期間穩(wěn)定性良好。通過(guò)近4個(gè)月的觀測(cè)，兩個(gè)觀測(cè)斷面累計(jì)沉降量很小，遠(yuǎn)小于規(guī)范限值，說(shuō)明采用水泥攪拌樁處治后路基穩(wěn)定性良好，沉降滿足規(guī)范要求。

3.3 CFG樁處治段路基沉降觀測(cè)結(jié)果分析

本項(xiàng)目K202+000～K203+110段采用CFG樁處治加固，選取K202+320和K202+680作為觀測(cè)斷面。K202+320斷面路基填筑高度為6.1 m，K202+680斷面路基填筑高度為5.7 m，CFG樁處治深度均為8 m。采用同樣的方法對(duì)兩個(gè)斷面沉降量進(jìn)行觀測(cè)，收集數(shù)據(jù)繪制累計(jì)沉降量—時(shí)間曲線如圖4，圖5所示。

通過(guò)對(duì)圖4和圖5曲線變化趨勢(shì)分析可知，與圖2和圖3類似，監(jiān)測(cè)點(diǎn)3累計(jì)沉降量最大，最大值為18.54 mm,15.32 mm；測(cè)點(diǎn)1累計(jì)沉降量最小，最終沉降值為3.75 mm,3.86 mm。觀測(cè)結(jié)果表明，這兩個(gè)斷面的累計(jì)沉降量均較小，日平均沉降最大值為0.35 mm/d，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的10 mm/d，說(shuō)明路基施工期間穩(wěn)定性良好。通過(guò)對(duì)CFG樁加固路基施工路段觀測(cè)得知，路基沉降逐步趨于穩(wěn)定，說(shuō)明CFG樁處治后路基穩(wěn)定性良好。通過(guò)與水泥攪拌樁處治段監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比可知，水泥攪拌樁加固效果較CFG樁好。

4 結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合高速公路路基改擴(kuò)建施工，通過(guò)制定沉降觀測(cè)方案，對(duì)水泥攪拌樁、CFG樁加固處治路段進(jìn)行沉降觀測(cè)，并繪制累計(jì)沉降—時(shí)間曲線，得出以下結(jié)論：

1)對(duì)水泥攪拌樁處治路段進(jìn)行沉降觀測(cè)，得出新路基上的沉降量最大值分別為7.42 mm，10.51 mm，且日平均沉降最大值0.59 mm/d，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的10 mm/d，說(shuō)明路基填筑施工期間穩(wěn)定性良好，沉降量滿足規(guī)范要求。2)通過(guò)對(duì)CFG樁處治路段進(jìn)行沉降觀測(cè)，得出新路基累計(jì)沉降量最大值為18.54 mm，15.32 mm，且日平均沉降最大值為0.35 mm/d，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的10 mm/d，說(shuō)明路基施工期間穩(wěn)定性良好，沉降量滿足規(guī)范要求。3)對(duì)比分析水泥攪拌樁和CFG樁加固處治路段觀測(cè)結(jié)果，得出水泥攪拌樁處治路段累計(jì)沉降量較小，為10.51 mm，說(shuō)明水泥攪拌樁地基加固效果優(yōu)于CFG樁。