山區高速公路路基差異沉降特性與控制措施研究

晏輝

摘要 隨著我國高速公路的發展，重點發展地區由東部轉移至中西部多山地區。山區高速公路由于地形起伏大、地質構造復雜，路基施工完成后易出現差異性沉降。路基沉降過大會造成大量路面病害，影響高速公路服務年限。以云南某山區高速公路為調查對象，研究路基地基性質、路基填筑高度以及填料性質對差異沉降的影響，分析山區公路路基差異性沉降機理。結合工程實踐，基于差異性沉降分級，提出強夯法、加鋪土工格柵法以及設置分隔墻法處理公路路基差異性沉降。

關鍵詞 公路路基;差異沉降;強夯法;壓實度

中圖分類號 U418.5 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）10-0095-03

0 引言

隨著我國高速公路規劃網的逐漸建成，高速公路建設項目由東部地區轉至中西部多山地區。山區高速公路普遍出現高填深挖、半挖半填路基，造成高速公路路基穩定性不足[1]。公路路基穩定性出現的問題主要在于路基施工后產生的差異性沉降，路基的差異性沉降造成公路路面出現大量病害，降低了公路使用壽命[2]。路基內部由于土體不均勻變形，造成路基整體出現不均勻沉降，不均勻沉降增加了路面基層和面層的層底拉應力[3]。層底拉應力的增大，造成高速公路路面出現疲勞破壞、裂縫等結構性病害，嚴重影響路面結構的耐久性[4]。為了解決山區高速公路路基差異性沉降問題，根據高填方路基特性，研究高填方路基差異沉降的影響因素，提出高填方路基差異性沉降機理?；诓町愋猿两档燃墸芯柯坊町愋猿两悼刂拼胧?/p>

1 山區高速公路路基差異沉降機理及特性分析

公路路基的沉降主要由兩方面組成，一方面是地基在路基土自重作用下產生的固結壓縮變形，另一方面是路基結構本身的固結壓縮變形。公路路基壓實采用分層壓實法，在分層壓實過程中路基土承受的輪載最大，產生的土體變形最大，而地基土的壓實效果不明顯。當路基分層壓實完成后，沉降量主要由地基土的固結壓縮變形造成。對于山區高速公路路基差異性沉降而言，高填路基的沉降主要由施工期沉降與施工后沉降組成。施工期沉降是指在施工過程中由于施工器械的壓實作用，從施工開始至施工結束產生的沉降。施工后沉降是指在路基施工結束后，在一段時間內，在土體自重和車輛荷載的共同作用下導致地基土出現產生沉降的過程。

1.1 工程概況

云南省某高速公路全長145.37 km，位于山嶺重丘區，如表1所示，以30 km為一個公路段將整條山區高速公路進行劃分。該公路路基采用高填方路基，路基高度為8 m、12 m、15 m以及20 m的超高填方路基，路堤填料分為填土路基、土石混合路堤以及填石路堤。整條公路地基狀況較好，未出現大面積軟弱地基，為硬質基巖地基與軟質基巖地基，在路基施工時，需要對軟質基巖地基進行處理。

1.2 差異性沉降機理

引起公路路基差異性沉降的因素有很多，根據云南省某高速公路概況，路基差異性沉降出現的原因主要有以下幾類：

1.2.1 土體自重引起天然地基土沉降

天然地基的自身沉降在自重作用下基本完成，但是在天然地基上進行路基修筑時，會對地基整體結構造成影響，路堤填土相當于給地基增加了自重，增大了地基自重引起地基土的沉降變形。由于增加路堤土自重所引起的沉降，主要受填土土質以及填土高度影響。根據該高速公路項目可知，項目中存在大量高填筑路基，填土高度大于20 m的路段在1%左右，應該對高填方路基自重引起的差異沉降提高重視。

1.2.2 壓實度不足引起的差異性沉降

路基壓實度不足引起的路基沉降是高速公路中最常見的沉降，當路基壓實度不足時，由于路基兩側的壓實度小于路基中央的壓實度，因此路基沉降的位置靠近于邊坡位置。在環境因素與車輛荷載的共同作用下，硬路肩與行車道之間出現明顯沉降差，造成路基沉陷和裂縫等病害。在雨水沖刷下，水沿著面層裂縫進入路面基層結構內部，當行車荷載反復作用下，造成路面結構整體斷裂。

1.2.3 軟土地基引起的沉降差異

山區高速公路中存在大量的軟土地基，按照規范要求，進行路基施工前需要對軟弱地基進行處理。但是軟弱地基處理屬于隱蔽工程，為了減少工程造價，有一部分施工方，選擇直接在軟弱土地基上進行路基修筑，未對軟弱土地基進行處理。公路施工驗收時，也只檢測路基頂面與基層層底拉應力，在環境因素與行車荷載的反復作用下，公路路基出現路堤沉降、路面斷裂以及橋頭跳車等病害。該公路段通過河流處有多處軟弱地基，雖然軟弱地基處填土高度不高，但是需要考慮軟弱土地基引起的路基差異沉降。

1.2.4 工后沉降

工后沉降是高填方路堤不可避免的。由于土體為塑性材料，在土體整體被破壞后，經過二次壓實，不論壓實效果有多好，施工完成后也會產生沉降。針對路基施工器械分析，壓實設備的壓實功也是有限的。根據路基工程施工實踐結果，高填方路基在經過壓實施工后，由于環境因素與行車荷載的共同作用，會導致地基出現固結壓縮變形，出現不均勻沉降的現象。該公路段為典型的山區高速公路，路基類型為高填方路基，路基填筑材料為石塊和土石混合材料，在路基施工過后，會出現由于自重變化所引起的地基不均勻沉降，但是對高填方路基進行沉降處治，可有效減少沉降量。

1.2.5 工期限制引起的差異性沉降

路基沉降是一個持續的過程，不可能在施工過程中達到完全沉降。路基施工時間是路基自然沉降的一個關鍵因素，如今高速公路的建設講究施工效率，要求工程在短時間內完工，路基的施工基本上在10～16個月內完工，在施工時間內，高填方路基并沒有達到完全沉降，沉降量只達到了65%左右。路基施工完成后，緊接著是高速公路面層與基層的施工，在進行面層與基層施工時，路基并未完全沉降，這樣會造成路基施工后出現過大的差異沉降，對新鋪筑的面層與基層造成嚴重破壞。

2 差異沉降的影響因素

影響山區高速公路路基差異性沉降的因素眾多，對該公路路基的填筑高度、地基性質以及路基填料類型進行試驗研究。根據該公路路基進行有限元軟件建模，設置不同路堤填筑高度、不同路基材料工況，得到路基填料相同、路基填筑高度相同情況下，不同地基性質條件下，路基頂面差異沉降量，試驗結果如表2所示。

2.1 地基性質對路基差異性沉降影響

當路基填料與路基填筑高度相同時，軟質基巖地基的沉降量要大于硬質地基的沉降量，這是因為硬質基巖地基的彈性模量要大于軟質基巖地基，硬質基巖地基抵抗變形的能力更強，由于兩種地基性質的變形模量相差不大，兩種地基的沉降量差異也較小。

2.2 路基填筑高度對路基差異性沉降影響

當地基性質與路基填料性質相同時，隨著路基填筑高度的增加，公路路基最終沉降量逐漸增加。且通過數據對比可以發現當路基填筑高度增加時，路基沉降量增加速率較快。根據試驗結果確定路基填筑高度對路基沉降量的影響較大。其中當路基高度由15 m增加至20 m時，路基沉降量增加了66.7%，表明當路基填筑高度大于15 m時，沉降量對于路基填筑高度的變化較為敏感。

2.3 路基填料類型對路基差異性沉降影響

當地基性質與路基填筑高度保持不變時，根據三種不同類型的路基填料沉降量結果，路基類型的沉降量排列順序為填石路基>土石混填路基>填土路基，這是由于填土路基的變形模量要小于填石路堤，但是對于路基填料選擇來說，填土路基雖然沉降最小，造價最高，考慮到工程經濟性，通常選擇土石混填材料作為路基填料。

3 路基差異性沉降處理措施

3.1 高填方路基差異沉降分級

根據規范規定，高填方路基沉降差異分級如表3所示。由表3差異沉降分級表結合該公路路基差異沉降狀況，確定該公路差異沉降分級為“中”級，需要對路基進行差異沉降處理。

3.2 強夯法

強夯法是山區高速公路路基差異沉降最常用的方法，該方法夯錘選擇重量為80～380 kN，在進行強夯施工時，將夯錘落距升高至6～30 m，使夯錘垂直落下對地基土進行沖擊。經過多次的強夯，能夠使路基土結構增加固結壓縮變形，達到壓縮土體的目的，增加地基土的變形模量，提升原始地基強度。在夯錘垂直落下夯擊路基的施工施工過程中，具有兩種固結方式。

3.2.1 動力固結

動力固結的方式適用于黏性土地基，在使用強夯法對黏性土地基進行施工時，夯錘垂直落入土中，在夯錘入土瞬間在地基土中產生巨大的沖擊力，沖擊力出現的同時伴隨著巨大的應力波，產生的應力波將原有的地基結構破壞，造成土體壓縮變形。在巨大的應力波作用下，局部的地基土發生液化現象，土體結構產生大量裂縫，土體裂縫的出現增加了土體結構的排水通道，能夠使孔隙水順利流出，將孔隙水的壓力消散后發生土體固結現象。

3.2.2 動力夯實

動力夯實的方式適用于大孔隙以及大粒徑的非飽和土。地基土結構內存在較多孔隙，在孔隙中存在大量氣體。動力夯實作用下，產生的動應力以及沖擊波會將地基土孔隙中氣體瞬間排出，壓縮地基土體體積，從而達到地基密實。強夯法能夠將原有地基土孔隙中的氣體排出，在這種作用下能夠使地基土頂面變形模量變大，土質層承載力增加。

3.3 土工格柵法

由于山區高速公路地形復雜起伏較大，在使用強夯法施工時夯錘可能會導致高填方路基整體結構變化，影響地基的穩定性。采用土工格柵法能夠完成新舊路基結合處沉降差異控制，土工格柵相當于增加了土體之間的內摩擦力，提高路基的強度，能夠提高結構的穩定性，減少反射裂縫的發展。采用土工格柵法進行路基差異沉降處置時，具有施工簡單、工期短、質量高的特點。土工格柵施工時要注意布設位置的合理性以及布設密度，土工格柵法能夠實現土體應力的分散，提高路基的抗剪能力，增大結構穩定性。在高填方路基加寬施工過程中，路基拼接處應力集中現象最為嚴重，車輛荷載重復作用造成新舊路基拼接處出現差異沉降，路面基層層底拉應力急劇增大，出現明顯的縱向裂縫，降低公路服務年限。土工格柵可以設置在層底拉應力最大的位置，如路基拼接處、路面基層，能夠有效減小路基差異沉降及基層層底拉應力，避免縱向裂縫結構性病害出現。

3.4 設置分隔墻

在高填方路基改擴建工程中，設置分隔墻法能夠有效減少新舊公路路基處的差異沉降。設置分隔墻法主要有以下特點：

（1）新舊路基處或地基承載力不能滿足要求處設置分隔墻，能夠有效控制舊路基中心的豎向沉降，防治舊路基與擴寬路基出現豎向差異性沉降，出現一高一低的現象。

（2）設置分隔墻能夠有效減小新舊路基之間的沉降差，縮小沉降差值。結合工程實踐，對于工后沉降原因引起的高填方路基差異沉降，分隔墻的設置能夠使道路中線11.5 m半徑內差異沉降減少40%左右。

（3）設置分隔墻能夠控制道路橫坡的變化。結合工程實踐，高填方路基加寬過程中，會影響原有道路橫坡坡度，使道路橫坡坡度增加，降低行車安全性。設置分隔墻能夠明顯降低道路橫坡變化幅度。

根據該公路差異性沉降等級為“中”級，且地基性質為硬質基巖地基和軟質基巖地基無軟弱土地基，地基變形模量較大，由此選擇強夯法為該公路地基處置方式。

4 結論

綜上所述，根據云南省某山區高速公路路基差異沉降調查結果，使用有限元軟件建模，研究地基性質、路基填筑高度以及路基填料性質對路基差異沉降的影響，提出強夯法、土工格柵法、設置分隔墻法處置高填方路基差異沉降的措施，結合項目情況確定強夯法為該公路路基處置方法。

參考文獻

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[4]張永清. 山區高速公路路基差異沉降特性與控制措施研究[D]. 西安：長安大學， 2009.