山區公路半填半挖式路基沉降控制標準探究

（昌吉公路管理局奇臺分局，新疆 昌吉 831100）

責任編輯/孫譽菡 美術編輯/王德本

新疆山區地形復雜多樣，公路路基多為半填半挖式結構。大量工程實踐表明，半填半挖式路基的路段，在施工后未及時得到合理養護和控制管理的情況下，由于路面結構彎曲對路基結構產生附加應力，從而使路面結構易出現早期結構性損傷和破壞。針對該問題，已有的路基修筑規范給出了一些建議性措施，但沒有給出需要控制路基的評判標準。要解決該系列問題，重點在于提出能夠正確反映沉降對路面結構影響程度的指標。

一、山區公路沉降分析模型

分析道路發生不均勻沉降后路面結構的變化規律，第一步是研究路基內不均勻沉降的分布規律。使用傳統的“沉降-時間”曲線預測工后沉降，并不能如實反映路基不均勻沉降的發育情況。在目前研究中，廣泛采用的計算方法是以考慮時間效應的巖土本構模型為基礎進行計算研究，該本構模型基于比奧固結理論的計算方式開展，需忽略自重作用下的路基變形，主要用于平原地區而不適用于山區路基，二者區別明顯。

二、半填半挖式路基沉降控制指標

路基工后不均勻沉降會直接造成路面結構的變形。在以往研究中，通常將施工完成后的工后沉降曲線假設為拋物線，如圖1所示。

圖1 半填半挖式路基施工完成后沉降曲線

影響路基沉降的因素包括路基填料的性質，施工的質量、工藝、管理水平，以及半填半挖式路基結構設計。通過大量研究證明，工后沉降的沉降曲線是在后續荷載作用下，路基蠕變累積效應產生的。若曲線形狀為勺形，意味著路基的蠕變在整體填筑路面前已得到很好的發育，在路基蠕變已得到充分變形的基礎上，路面結構層不會因工后沉降產生破壞變形。若曲線形狀表現為S形，是由于路面鋪填之前蠕變未發育完全造成的，此時，半填半挖式路基沉降需采用更合理的措施加以控制。

在此基礎上，對半填半挖式路基的沉降分布展開進一步探究。以S形的拐點為分水嶺，拐點兩側的曲線均視為拋物線，因此在擬合研究室開展分段研究更加合理。基于此，以半填半挖式路基的結合部位為分界點。曲線方程如公式（1）所示：

三、不均勻沉降指標選取分析

在評價路基不均勻沉降時，通常會采用控制性指標對坡度變化量和差異沉降量展開分析。山區半填半挖式路基的沉降變形，通常被認為同時包括了彈性和塑性變形的綜合過程，尤其山區公路填料較破碎，土體在一般應力情況下就可能發生屈服，且應力應變曲線是非線性關系，可以采用非線彈性模型（KG模型）分析。土體的總應變如公式（2）所示：

使用模擬計算的方法分析坡度變化量和差異沉降兩個指標，路面結構層的計算參數如表1所示，計算模型示意圖如圖2所示。

表1 模型計算材料參數

表1 模型計算材料參數

圖2 附加應力計算模型示意圖

通過分析不同曲線形式沉降對應指標之間的關系發現，面層頂面的拉應力附加應力最大。經計算分析發現，差異沉降量與彎拉應力之間的關系如圖3所示。當差異沉降達到5m時，差異沉降量與彎拉應力之間存在明顯的線性關系，因此使用彎拉應力作為反映差異沉降的指標合理。

圖3 拉應力與差異沉降關系圖

四、算例分析

以新疆某山區高速公路為例分析半填半挖式路基差異沉降，路面結構材料相關計算參數如表2所示。該區段半填半挖式路基的邊坡坡度比為1：1，填方部分路基寬度為12.5，填方路基填筑高度為4m～8m，路基總寬度達25m。在填方開始前，需破碎平整山坡基巖，將破碎帶額基巖運用到填方部分的路基填筑；挖方部分則直接開挖，將底部的基巖作為路基使用。考慮到重力對早期地基變形的影響，需先對地基進行地應力平衡處理，同時將重力作用下的地基應力場作為后續計算的初始應力場。為便于分析計算，該模擬對模型進行了假定：

1.將該模擬簡化為平面應變，忽略沿道路方向的應變；

2.將路堤各層及地基各層材料均視為連續均勻介質；

3.該模擬僅考慮重力荷載作用下路堤的變形及應力分布，以及公路投入運營后的汽車荷載，不考慮地震等因素造成的振動；

4.各層地基底面均簡化為水平面。

使用FLAC3D數值模擬軟件計算模型，模擬山區公路在硬質荷載作用下，面層各個部分的頂部應力分布情況，通過計算得到路面材料頂面的拉應力如表3所示。

表2 新疆某高速公路路面材料參數

表2 新疆某高速公路路面材料參數

表3 路面材料頂面拉應力匯總表

表3 路面材料頂面拉應力匯總表

五、結語

本文以新疆某高速公路為例，通過計算分析發現該路段設計完全符合附加拉應力限度要求，投入使用后未發現路面開裂等情況，側面驗證了以路面頂部附加拉應力來衡量山區半填半挖式路基適用性能的合理性。