市政道路舊路拓寬差異沉降問題研究

張小莉

(井陘縣公路管理站,河北 石家莊 050399)

0 引 言

差異沉降是反映建筑物地基變形特性的一個(gè)重要指標(biāo),通常是指兩個(gè)相鄰基礎(chǔ)的沉降量之差[1]。差值沉降法可以用不同的沉降值來計(jì)算建筑物的傾角[2]。若差異沉降太大,則會(huì)對(duì)所對(duì)應(yīng)的上部結(jié)構(gòu)造成附加應(yīng)力;當(dāng)達(dá)到某一極限時(shí),會(huì)產(chǎn)生裂縫,傾斜,甚至破壞[3]。近幾年,為滿足日益增加的運(yùn)輸需要,我國(guó)對(duì)許多市政公路進(jìn)行了擴(kuò)建,盡管在現(xiàn)有的道路拓寬工程中,已有不少的成果和成功的經(jīng)驗(yàn),但由于缺乏足夠堅(jiān)實(shí)的控制依據(jù),難以做到全面規(guī)范管理[4]。因此,本文就市政道路舊路拓寬的差異沉降問題進(jìn)行了進(jìn)一步研究。根據(jù)工程概況,詳細(xì)分析了市政道路舊路拓寬的差異沉降特性及影響因素,根據(jù)建立的道路模型,對(duì)瀝青路面的應(yīng)力場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算,并對(duì)其在使用期間不同階段所經(jīng)受的附加應(yīng)力進(jìn)行分析;對(duì)泊松比、模量不同時(shí)的地表沉降差異做出分析,提出具體防范策略。通過分析舊公路路基的基礎(chǔ)差異沉降成因,計(jì)算新舊公路路基差異沉降的適用范圍,對(duì)新道路路基的加固設(shè)計(jì)具有一定的參考意義。

1 工程概況

本項(xiàng)目名稱為井元公路梅莊村至元氏界段大修工程,估算投資為9 089萬元。項(xiàng)目建設(shè)地址在井陘縣秀林鎮(zhèn)、南王莊鄉(xiāng),大修路線長(zhǎng)度20.582 km,并對(duì)三座小橋進(jìn)行拆除重建。大修路線全長(zhǎng)20.582 km,現(xiàn)有路基寬度不變,在原有的水泥混凝土路面上,開挖老路面后再加4 cm的細(xì)粒改性瀝青混凝土,6 cm的中粒型瀝青混凝土和18 cm的水泥穩(wěn)定碎石。在原有的瀝青混凝土路面上,對(duì)部分破損較嚴(yán)重的部分進(jìn)行開挖,然后在原有的道路上鋪設(shè)4 cm細(xì)粒狀改性瀝青混凝土+6 cm中粒狀瀝青混凝土+18 cm水泥穩(wěn)定碎石+18 cm級(jí)配碎石。在經(jīng)過村莊的老路開挖后,鋪設(shè)4 cm的細(xì)粒改性瀝青混凝土+6 cm的中粒型瀝青混凝土+18 cm的水泥穩(wěn)定碎石+18 cm的水泥穩(wěn)定碎石+18 cm級(jí)配碎石。對(duì)梅莊橋大橋進(jìn)行了4 cm的銑削,對(duì)4 cm的細(xì)粒改性瀝青混凝土進(jìn)行了鋪砌;沿線有1～8 m小橋1座,3×6 m小橋2座,均為危橋,本次將舊橋拆除后新建,其余橋梁拉毛后鋪裝4 cm細(xì)粒式改性瀝青混凝土+6 cm中粒式瀝青混凝土。新路基指拓寬路面路基,舊路基指原有路基基礎(chǔ),除梅莊橋外,沿線所有橋梁增設(shè)橋梁護(hù)欄,更換4座橋梁的伸縮縫。

2 差異沉降特性及影響因素

新舊路基的變形主要包括以下三個(gè)方面:(1)地基基礎(chǔ)受新路基加鋪時(shí)產(chǎn)生的固結(jié)變形;(2)新地基因本身的載荷而產(chǎn)生的壓縮變形;(3)由汽車運(yùn)行引起的新地基累積變形[5]。一次外加應(yīng)力與二次外加應(yīng)力的相向增大,是造成舊公路邊坡淺層基礎(chǔ)差異產(chǎn)生的重要因素,而土層可壓縮性較高是造成深層基礎(chǔ)差異沉降的重要因素。除此之外,地基壓縮模量、路基的高度、道路拓寬寬度、道路拓寬方式以及新舊地基固結(jié)程度等因素,對(duì)路基差異沉降均有著一定的影響。

新老基礎(chǔ)的沉降與路基的填筑高度有關(guān),最大差值沉降隨著路基高度的增大而增大[6]。路基頂部的沉降曲線隨著路基高度的減小呈“～”形分布,地基的最大沉降值隨基礎(chǔ)壓縮模量的增加而減小;若最大沉降增加,基礎(chǔ)壓縮模量的降低速率便隨之降低;拓寬路堤在擴(kuò)展寬度小于8 m時(shí),最大差異沉降發(fā)生在拓寬路堤內(nèi)側(cè),拓寬寬度超過原有道路的一定距離時(shí),最大差異沉降發(fā)生在道路內(nèi)側(cè)。采用雙側(cè)加寬方法可以減少新舊路基的差異沉降。

3 舊路拓寬模型建立

3.1 模型建立

本文模擬市政道路的路基拓寬,采用應(yīng)力場(chǎng)狀態(tài)和載荷技術(shù)模擬原有路基的拓寬模型和擴(kuò)建路基的分步加載,最后可得到路基各點(diǎn)的最終沉降值。考慮市政道路舊路拓寬的新舊路基的差異沉降問題,在應(yīng)用軟件進(jìn)行平面形變分析時(shí),以二維平面模型為基礎(chǔ),以確保計(jì)算速度和精度,市政道路拓寬路基模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見圖1。

圖1 拓寬模型及監(jiān)測(cè)點(diǎn)

在建模過程中,莫爾-庫(kù)侖屈服判據(jù)的邊界條件為:基坑對(duì)X,Y,Z三個(gè)方向的位移都有約束,但在基坑外側(cè)水平位移約束及垂直自由位移約束下,路基頂部不受邊界約束。差別沉降的監(jiān)控計(jì)算則是以原來的地基中心作為起始的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn),同時(shí)在拓寬路基每隔2 m另取一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),最終計(jì)算兩者之間的差值作為差異沉降。

3.2 計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)分布

采用軟件中的重力加載實(shí)現(xiàn)應(yīng)力場(chǎng)分布計(jì)算,根據(jù)上述內(nèi)容,建立全新的數(shù)值計(jì)算模型,對(duì)舊路基和基礎(chǔ)土層進(jìn)行劃分,并對(duì)其進(jìn)行初步的應(yīng)力計(jì)算。根據(jù)工程實(shí)際對(duì)土層性質(zhì)的影響進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理,各土層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 新舊路基土層參數(shù)

舊路拓寬工程的基礎(chǔ)應(yīng)力場(chǎng)分為三個(gè)方面,分別為:基礎(chǔ)重力引起的重力應(yīng)力場(chǎng)、舊路荷載下的一次外加應(yīng)力場(chǎng)以及新路荷載的二次附加應(yīng)力場(chǎng)。按不同豎向附加應(yīng)力水平,以及受不同深度、不同性質(zhì)的土層影響,其應(yīng)力分布一般采用公式(1)進(jìn)行計(jì)算

(1)

式中:σzi為根據(jù)不同深度的垂直應(yīng)力計(jì)算出的基礎(chǔ)沉降值,Esi為壓縮模量,H為鋪裝高度。根據(jù)計(jì)算出的應(yīng)力分布,對(duì)新路基及老路基的沉降進(jìn)行判斷,根據(jù)實(shí)測(cè)資料,可以為后期的沉降計(jì)算提供相應(yīng)數(shù)據(jù)。

3.3 沉降計(jì)算

市政道路舊路加寬工程中,新路面加載產(chǎn)生了第二個(gè)附加應(yīng)力場(chǎng)。因此,在加載過程中,應(yīng)根據(jù)自身重力應(yīng)力場(chǎng)的不同垂直應(yīng)力等級(jí),選擇相應(yīng)的抗壓模量。每一層的壓實(shí)模數(shù)按圖2計(jì)算,層間厚度為1 m。

表2 壓縮模量

圖2 泊松比不同時(shí)的地表總沉降曲線

在計(jì)算深度時(shí),由于土層性質(zhì)、厚度和次生附加應(yīng)力的不同,對(duì)地面沉降的影響也不同。土層壓縮時(shí),在地基沉降模式的基礎(chǔ)上添加底基層、基層和面層,并利用重力作用來影響地基的壓縮模量和高度,從而獲得不同的差異沉降,產(chǎn)生附加的彎拉應(yīng)力和剪應(yīng)力,模型簡(jiǎn)化與假設(shè)如下所述。

(1)由于路基縱向長(zhǎng)度足夠,基層之間的接觸完整,路基的尺寸長(zhǎng)度在垂直方向上基本不變,因此可將其視為平面的變形問題來處理,不存在脫空現(xiàn)象。

(2)假定路堤與路基土是均勻連續(xù)的,且為各向同性的線彈性體。

(3)路基的填筑及基礎(chǔ)土是彈性體材料,其回彈模量為20 ℃,再加一層瀝青混凝土的彈性模量為1 200 MPa。

(4)由于地基是一種對(duì)稱的結(jié)構(gòu)形式,因此基礎(chǔ)是對(duì)稱的,基礎(chǔ)的一側(cè)水平,在對(duì)稱的邊界上對(duì)稱約束。

4 模型結(jié)果對(duì)比分析

4.1 泊松比不同時(shí)地表沉降差異

在進(jìn)行沉降差異計(jì)算和分析時(shí),應(yīng)對(duì)土層賦予適當(dāng)?shù)牟此杀萚7]。通過對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的靜態(tài)側(cè)壓系數(shù)計(jì)算,確定了不同層位的平均泊松比約為0.3。為更好地反映泊松比的變化對(duì)基礎(chǔ)沉降量的影響,采用單變量泊松比法進(jìn)行比較,得出了不同泊松比下的地面沉降分布曲線,如圖2所示。

從圖2可以看出,地面的沉降量隨著泊松比的增加而降低。不同的泊松比對(duì)應(yīng)的地面沉降曲線形態(tài)接近一致,表明泊松比對(duì)整體沉降量的影響較小。所采用的方法能較好地反映地面的沉陷規(guī)律,在新路荷載作用范圍之外,0.3的泊松比最為合適,不在荷載作用范圍之內(nèi)則會(huì)產(chǎn)生較大誤差。

4.2 模量不同時(shí)地表沉降差異

在土體受力特性分析中,一般是以彈塑性本構(gòu)模式為主,而在不同的本構(gòu)模式下,需要附加不同的土性參數(shù)[8]。根據(jù)現(xiàn)有的勘測(cè)資料可以提供壓縮和直剪兩種測(cè)試數(shù)據(jù),采用Mohr-Coulomb屈服判據(jù)進(jìn)行比較。

通過對(duì)該地區(qū)的應(yīng)力分布進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在靠近地面的二次附加應(yīng)力較大時(shí),其強(qiáng)度較高,只有新路坡腳部分有塑性區(qū),對(duì)地面沉降的計(jì)算結(jié)果影響不大。深層軟粘土的二次附加應(yīng)力水平很低,不能引起塑性屈服。當(dāng)泊松比為0.3時(shí),由勘測(cè)數(shù)據(jù)所提供的土壤強(qiáng)度指數(shù)無法建立起地應(yīng)力平衡,表明計(jì)算參數(shù)對(duì)模型具有一定的限制。另外,考慮到變形和壓縮模量之間的差別,結(jié)合兩種情況的在線彈性變形轉(zhuǎn)換關(guān)系,在泊松比為0.3時(shí)進(jìn)行比較,得出了不同模量情況下的地面總沉降曲線。

從圖3可以看出,在泊松比等于0.3的情況下,變形模量和壓縮模量的比率是0.6,兩者之間存在很大差異,使用變形模量的計(jì)算值明顯偏大。初始自重應(yīng)力隨深度增加而增加,一次附加應(yīng)力逐漸降低,且趨于均勻,對(duì)壓模量的取值影響較小;二次附加應(yīng)力也會(huì)降低,且趨向均勻,從而致使差異沉降的兩個(gè)因子都會(huì)消失,造成差異沉降的主要原因是淺層土壤,而深層的壓入量主要影響到整體的沉降量,對(duì)差別沉降不會(huì)有顯著影響。

圖3 模量不同時(shí)的地表總沉降曲線

5 差異沉降控制對(duì)策

城市道路拓寬工程中,針對(duì)基礎(chǔ)填土少、地下管線多、相鄰建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn),制定一套適應(yīng)城市道路復(fù)雜情況的差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn),并將國(guó)內(nèi)外常用的差異沉降處理方法應(yīng)用于市政道路拓寬工程,處治市政道路拓寬工程中新舊路基差異沉降,控制道路拓寬后導(dǎo)致的建筑物沉降問題,是目前市政道路拓寬工程中的重點(diǎn)研究方向。由于舊路擴(kuò)建工程中,需要考慮施工期間交通不中斷,差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)較高等需求,導(dǎo)致舊路路面區(qū)域難以進(jìn)行基礎(chǔ)加固,地區(qū)基礎(chǔ)壓縮模量不變,無法加速施工(包括預(yù)壓階段)的沉降速度;同時(shí),施工后(新的路基鋪砌完成)該地區(qū)的軟土地基仍存在著較大的沉降,這是影響老路施工質(zhì)量的重要原因。要解決這個(gè)問題,必須在新道路加寬地段進(jìn)行基礎(chǔ)加固時(shí),改變二次附加應(yīng)力場(chǎng)的分布,以減少舊路路基(特別是軟土所處深度)的二次附加應(yīng)力,從而減少路基整體沉降,達(dá)到控制差別沉降的目的

本工程從軟土地基沉降的基礎(chǔ)理論出發(fā),根據(jù)城市道路加寬工程的應(yīng)力、變形特點(diǎn),總結(jié)國(guó)內(nèi)外軟基治理的經(jīng)驗(yàn),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新,持續(xù)探索更多方式,力求實(shí)現(xiàn)環(huán)境保護(hù)與節(jié)約投資的協(xié)同。采用土工格柵、土工網(wǎng)、路基開挖臺(tái)階等方法,有效的平衡加寬路面附加應(yīng)力水平,減少差異沉降。在土中適當(dāng)設(shè)置土工格柵,最大限度地發(fā)揮其抗剪強(qiáng)度的同時(shí),實(shí)現(xiàn)豎向應(yīng)力和水平應(yīng)力的顯著減少;在公路拓寬工程中,利用SRP對(duì)新填筑的路基和已有路基進(jìn)行整體加固,有效地改善路基承載力,減少道路堤段的不均勻沉降,從而提升路堤的穩(wěn)定性能。在路基加寬工程中,使用土工格柵增大新舊路基界面,提高結(jié)合面的摩擦力和抗剪強(qiáng)度,確保新舊路基的整體性能。

6 結(jié)束語

結(jié)合市政道路拓寬工程的受力和變形特點(diǎn)對(duì)沉降變形進(jìn)行分析。結(jié)合項(xiàng)目的具體情況,對(duì)新老路基的不同沉降特征進(jìn)行詳細(xì)分析并進(jìn)一步探討影響因素。在建立路面模型,對(duì)市政道路應(yīng)力場(chǎng)分布進(jìn)行計(jì)算,并對(duì)道路在使用期間不同階段所經(jīng)受的附加應(yīng)力進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上,對(duì)不同泊松比和模量條件下的地面沉降差異進(jìn)行對(duì)比并提出了相應(yīng)的防治對(duì)策。在未來,應(yīng)堅(jiān)持積累并提高地基沉降治理的經(jīng)驗(yàn),不斷探索和創(chuàng)新拓寬路基差別沉降的處治方法,做到規(guī)范控制公路施工。