基于土體孔隙介質的高速公路拓寬新路基沉降分析

湯 軻

（廣西路建工程集團有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

目前，國家針對高速公路的發展狀況，已經從過去不斷新建高速公路轉變為改擴建項目與新建項目并存的建設局面，甚至把發展重點從新建高速公路轉移到高速公路改擴建項目[1-2]。在高速公路改擴建項目落實過程中，部分施工環節隱藏著許多對工程建設不利的因素，例如工程監管不到位，施工人員偷工減料、素質參差不齊，高速公路改擴建項目管理相關法律建設滯后、管理體制不健全等，造成高速公路項目質量低劣[3]。此外，改擴建項目施工結束后，公路新舊路基之間的固結程度存在很大的差異，隨著使用時間的推移，在交通荷載的作用下，新舊路基之間將產生很大的沉降差異，而沉降差異過大將導致路面結構開裂塌陷，嚴重影響高速公路的通行安全和使用壽命，并且大大增加了公路維護費用[4]。

那良隧道單側原位擴建項目位于廣西河池市大化瑤族自治縣羌扜鄉那良村西南側約400 m，屬剝蝕低山地貌，地形起伏較大。隧道進出口端主要由粉質黏土、碎石、全～強風化砂巖及強風化碎裂狀砂巖組成，巖質較軟，結構面發育，薄夾中厚層狀構造，巖體較破碎；洞身段主要為中風化砂巖及碎裂狀砂巖，巖質較軟，裂隙很發育，多呈閉合-微張開狀態，力學強度較低，抗風化能力低，工程地質穩定性一般。在該地基上修筑的高速公路極易出現路面沉降問題，這將嚴重影響公路的通行效率，降低公路運營商的服務水平。因此，對該地區不同土層地質的公路路基進行研究，分析路基沉降差異性，對保證高速公路穩定性具有重要意義。

本文結合那良隧道單側原位擴建專項施工方案，從路基變形機理入手，引入孔隙介質理論，充分考慮初始地應力對路基材料變形模量的影響及路基材料變形過程中變形模量隨之發生變化的特征，借助孔隙介質理論分析高速公路拓寬新舊路基沉降差異，根據沉降值修改施工方案，最大限度地延長高速公路路基壽命，確保高速公路路基質量，進而保證高速公路的通行安全。

1 那良隧道單側原位擴建工程防水層土質分析

1.1 地質環境

1.2 土體層次結構分析

以該區域防水層施工為主要研究對象，分析其沉降差異。該區域路基可分為淤泥質粉土地基土、粉土地基土、亞砂地基土，具有明顯的土體層次結構。其中，淤泥質粉土地基土屬于軟土，表層厚度為2.40～3.50 m，其塑性指數為5.0；粉土地基土不屬于軟土，表層厚度為0.80～3.40 m，其塑性指數為3.3；亞砂地基土不屬于軟土，表層厚度為0.80～2.30 m，其塑性指數為4.0。在此基礎上，在區域內排水采用初期支護和巖面間設置環向50 mm的排水半管將水流引至墻角，并與墻角縱向100 mm的高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，HDPE）雙壁打孔波紋管排水管連通，橫向100 mm的HDPE雙壁打孔波紋管將縱向排水管與中心水溝連通，最終將水流通過中心排水管排出洞外。

圖1 縱向及環向排水盲管設計圖

2 孔隙介質理論與模型

孔隙介質理論一般是指應力、變形場和孔隙介質中多相滲流場之間的相互作用，該理論涉及許多確定的或不確定的因素，因此必須通過模型化的方法對不同因素之間的耦合效應進行“機理”性分析[5]。在實際情況下，變形模量會隨埋深的不同而異，這主要是由不同埋深的初始地應力不同導致的，而忽視初始地應力對變形模量的影響會降低沉降分析時的精確度，為此本文引入孔隙介質理論解決這一問題。考慮土顆粒骨架和空隙組成的孔隙介質體是高速公路地基土體的一種理論表現形式[6]，高速公路地基土體作為一種孔隙介質體，也可以根據這一原理，構建土體孔隙介質模型。為此，將土體的表現應力設為σ，土空隙即可視為孔隙，設土孔隙率為n，土顆粒骨架應力設為σs，則：

由公式（1）可知，土體的表現應力σ與土顆粒骨架應力σs之間的關系，所以在一維條件下，可以將高速公路路基看成一個（x、y、z）坐標軸，那么孔隙率n在（x、y、z）坐標軸方向的作用力下會產生孔隙率n′，則：

將公式（2）帶入，可以得到x、y、z方向的土體表觀體積應變εx和土顆粒骨架實際應變εxs之間的關系，則：

為了建立完整的土體孔隙介質模型，應研究土體表觀體積應變與土顆粒骨架實際體積應變之間的關系，為此設土體積為V，土體表觀體積應變為εV，土顆粒骨架實際體積應變為εVs，變形前后土體孔隙率由n變化為n′，則：

將公式（4）式帶入公式（3），可得到x、y、z方向土體表觀體積應變與土顆粒骨架實際體積應變之間的關系，則：

將公式（3）和公式（5）聯立，根據彈性力學理論計算，則：

公式（6）即土體孔隙介質模型。

鎳是能夠滿足循環經濟理念的金屬之一。不銹鋼或鎳理論上來說都是百分之百不會降解并且可回收的，廢不銹鋼和廢鎳不會因為回收而導致品質下降，回收回爐后的鎳金屬也可以作為非常好的原材料再次使用。據了解，在全球很多國家和地區，82%的鎳金屬都可實現回收再利用。現階段全球每年的鎳開采量在190萬 t，而全球的鎳使用量約為2 500萬 t。地表鎳儲藏量大概有1億 t，加上次表層可以開采的鎳約有2億 t，共計3億 t。不難看出，這樣高的鎳回收利用率以及豐富的資源儲量，完全可以滿足所有國家工業的高度發展需要和對鎳的增量需求，達到可持續發展的要求。

3 高速公路拓寬新路基沉降計算及分析

3.1 沉降差異計算

根據上述構建的土體孔隙介質模型，選用直徑d=50 mm的平底圓形壓頭，選取6個測點，該路基其他物理性質參數為路基材料最大干密度為2.043 g/cm3，路基材料顆粒密度為2.689 g/cm3，交通荷載等級為M=10，針對表1中3種不同地段的路基基土土層，根據公式（6）的土體孔隙介質模型，可以得到這3個地段的高速公路新舊路基下基土的物理力學指標。

根據上述數據，分別分析路基基土孔隙率差異、路基基土黏聚力差異，以此判斷高速公路拓寬新舊路基沉降差異。

3.2 結果分析

3.2.1 路基基土孔隙率差異分析

由表1可知，在淤泥質粉土地基土中，舊路基基土的孔隙率較新路基基土孔隙率小28.9%，在修建高速公路之前，路面的基土孔隙率為1.42；在粉土地基土中，舊路基基土的孔隙率較新路基基土孔隙率小18.7%，路面的基土孔隙率為0.701。在淤泥質粉土和粉土地基土中，新高速公路孔隙率都比未修建高速公路之前低；在亞砂地基土中，舊路基基土的孔隙率較新路基基土孔隙率大19.1%，路面的基土孔隙率為0.770，相較修路前，舊路路基基土的孔隙率低，新路基基土孔隙率高。因此，高速公路新舊路基基土孔隙率差異與土層地質有很大關系[7-8]，不同的土層地質建立的高速公路路基孔隙率會發生不同的變化。

3.2.2 路基基土黏聚力差異分析

由表1可知，在淤泥質粉土地基土中，舊路基基土的黏聚力較新路基基土黏聚力大20.6%，在修建高速公路之前，黏聚力為6.76；在粉土地基土中，舊路基基土的黏聚力較新路基基土黏聚力大32.5%，在修建高速公路之前，黏聚力為4.806；在淤泥質粉土和粉土地基土中，新高速公路黏聚力比未修建高速公路之前高；在亞砂地基土中，舊路基基土的黏聚力較新路基基土黏聚力大32.1%，在修建高速公路之前，黏聚力為4.875，不管是新路路基基土還是舊路路基基土的黏聚力都比未修建高速公路之前高。因此，高速公路新舊路基基土黏聚力差異與土層地質沒有關系。

4 防水層路基沉降縫施工方案

當前，高速公路的舊路基經過長時間的荷載，其固結程度會與新路基存在較大差異，因此高速公路在改擴建過程中，必須對路基進行加固，防止出現路面開裂、起伏、塌方等災害。所以，在明暗交接處及各級圍巖變換處沉降縫，施工縫設膨脹止水條，沉降縫設瀝青木絲板夾GPZ-A3型橡膠止水帶。橡膠止水帶和止水條設于二襯厚度一半的位置，橡膠止水帶施工時用細格鐵絲、二襯內部專埋鋼筋先固定一半，另一半則折疊在端頭處，施工相鄰另一模混凝土時將其鑿出、拉直，用同樣的方法固定另一半，沉降縫處還需設浸瀝青木板；止水條則在二襯端頭厚度一半處通過預埋泡沫等物件的方法刻槽，拆模后立即修順預留槽，在下一模混凝土將澆筑時釘上止水條。施工示意圖如圖2所示。

圖2 沉降縫設計圖

圖2中橡膠止水帶安設工藝過程如下。

（1）將背貼式止水帶與防水板焊接之后，立模，沿襯砌設計軸線在擋頭板上每隔40 cm鉆12 mm的圓孔。

待模筑混凝土凝固后拆除擋頭板，將止水帶靠中心鋼筋拉直，然后彎曲10 mm的鋼筋卡套上止水帶，模筑下一環混凝土。在綁扎鋼筋和支模時，止水帶必須采取可靠的固定措施，避免在澆筑混凝土時發生沉降。

5 結語

從總體上看，由于經濟社會的不斷發展，原高速公路已不能滿足當前發展需要，所以必須對其采取相應的改擴建措施。在高速公路改擴建過程中，新舊路基的沉降差異會引起高速公路病害，因此本文提出基于孔隙介質理論的高速公路拓寬新路基沉降分析，但是，本文只分析了高速公路改擴建新舊路基基土的沉降差異，而路基的沉降還受到路基填土壓實度等因素的影響，為此必須不斷深入研究高速公路改擴建新舊路基差異，預防高速公路病害。