公路路基沉降計算及病害控制措施分析

井正洋 （中國建筑材料工業地質勘查中心河南總隊，河南 信陽 464000）

路基作為公路工程的基礎，一旦出現下沉，將導致路面應力分布不均，進而引發一系列病害。造成路基下沉的常見原因包括振動液化、抽取地下水、車輛載荷、自然沉降等。沉降計算能夠從理論層面探索病害成因，并且為制定控制措施提供依據，故本文結合實際案例對其展開研究。

1 公路病害調查

某高速公路于2012 年建成通車，全長為708km，路基寬度為26m，設計行車速度為100km/h，采用雙向4 車道設計規格。在2022 年6 月的路況調查中，發現 K675+580～K675+680 路段、K677+130～K677+340 路段存在較為嚴重的路面沉陷和開裂，最大沉降量約為30cm，裂縫長短不一，最長的裂縫為177m，最寬的裂縫為15cm。通過鉆孔試驗、標準貫入試驗，確定了路面開裂、沉陷的主要原因是路基下沉，為了防止各類病害進一步擴大，將路基沉降控制作為治理重點。

2 不同條件下的公路路基沉降計算

2.1 沉降計算模型及參數

在沉降計算中將K675+580～K67 5+680 路段的路基作為分析對象，其寬度為26m，按照1:2 進行路堤放坡。地質調查的結果顯示，路基土層結構從上到下分別為粉砂、細砂、粉質粘土、砂礫、粉砂，各層對應的厚度為1.3m、5.5m、4.5m、3.5m、11.9m，巖土物理學參數見表1。

表1 計算模型的巖土物理學參數

2.2 天然狀態下的路基沉降計算

該地區抗震設防烈度為8 度，根據《公路橋梁抗震設計細則》(JTG/T B02-01-2008)，當地基存在飽和砂土或者飽和粉土時，除6 度設防外，應實施振動液化判別[1]。

2.2.1 液化判斷

在振動液化判斷中，可運用抗液化剪應力法、地震液化初判圖法進行綜合判斷，目的是確定是否需要考慮地基在地震作用下的液化效應。以抗液化剪應力法為例，其判別過程如下。

計算地震所引起的土層等效循環應力比（記為CSR），計算表達式為：

式中：αmax為地震作用下地面的最大加速度；σr0、σ*r0分別為上覆土層的總應力和上覆土層的有效應力；g為重力加速度；γd為應力折減系數。將砂土的抗液化強度記為CRR，則該參數的計算方法為：

式中：將修正標準貫入擊數記為(N1)60，該參數表示有效上覆壓力為100kPa，落錘能量比為60%。

當CRR≥CSR時，地基在地震作用下會出現液化；當CRR＜CSR時，則地基不會液化。經過多種方法的綜合判斷，該公路地基不存在振動液化風險。

2.2.2 路基總沉降量計算

研究過程運用分層總和法計算路基的總沉降量，計算表達式為：

式中：Si表示第i層土的壓縮量；n表示土層的數量；第i 土層的厚度記為Hi；e1i代表第i層土的自重應力平均值在e-p曲線上的孔隙比；e2i代表第i層土自重應力平均值和附加應力平均值之和在e-p曲線上對應的孔隙比，其中e-p曲線是土體壓縮試驗得到的孔隙比與土體壓力值的二維坐標關系曲線[2]。

2.2.3 計算結果示例

表2 為地基厚度與沉降量之間的關系(部分數據)，由表可知，隨著地基厚度的增加，總沉降量也在增加。

表2 地基深度與最大沉降量的關系（單位：m）

2.2.4 沉降計算的結論

第一，在無載荷的自然狀態下，該路基的最大沉降量約為0.256m；第二，路基沉降速度在前期較快，隨著時間的延長，沉降速度逐漸下降，直至穩定；第三，路基沉降呈半橢圓形，路面中心線的沉降量最大。

2.3 車輛載荷作用下的路基沉降計算

2.3.1 計算原理分析

通常地基沉降量由瞬時沉降、次固結沉降以及主固結沉降組成。瞬時沉降發生在建設階段，次固結沉降由基土骨架緩慢蠕變引起，該公路項目投入運營多年，可忽略瞬時沉降和蠕變作用。主固結沉降是土體的壓縮變形量，與孔隙水的轉移和流失存在關系[3]。車輛載荷所產生的力主要作用在路基的中上部，并且作用力垂直于路面，可近似計算出垂直應力，計算方法為：

式中：P為側輪軸載荷；K為系數（取值為0.5）；Z為載荷中心應力作用點的深度；σZ為垂直應力的近似值。路基土體具有自重，當路基深度達到Z時，將基土自重所引起的垂直應力記為σB，則σB的計算方法為：

式中：γ為土的重度。在車輛載荷(σZ)與土體自重（σB）的雙重作用下，開展土體壓縮試驗，得到相應的e-p曲線，再按照分層總和法計算出各層的壓縮量[4]。

2.3.2 計算結果分析

根據該道路的實際運營情況，載荷引起的病害主要來自重載車輛，在計算過程中選用掛車-120 級載荷，其車輪對路基產生的垂直應力為56.818kPa，車輪與路肩的距離為2m。沉降試驗和計算結果如下：

車輛載荷作為附加應力，其對路基的作用深度可達到25m，粉砂、細砂以及粉質黏土層壓縮模量較小，對壓縮量的貢獻最大；

在車輛載荷作用下，路基最大沉降量為30.5cm，比自然條件下的最大載荷增加4.9cm；

隨著時間的推移，路基沉降速度先快后慢，直至趨于平穩，具體見表3。

表3 路基沉降量與沉降時間的關系

3 路基病害控制措施及數值模擬

3.1 控制措施

由以上分析可知，該道路工程路面開裂與沉陷的主要原因為路基沉降，因而病害控制措施以防治路基沉降問題為重點。經過深入的調查，K675+580～K6 75+680 和K677+130～K677+340 路段的沉降與當地大量抽取地下水存在高度關聯。因此，制定病害控制措施如下。

①對抽水活動進行監管

該地區抽取地下水用于農田灌溉，屬于合理的用水需求。監管措施為控制抽水強度，避免短期內集中大量抽水。

②鋼花管注漿

針對已經下沉的路基，采用鋼花管注漿技術進行治理。方法是將鋼花管打入路基的土體中，在壓力注漿泵的作用下，將水泥漿液注入路基土體，注漿完成后割除高出地面的注漿管，水泥漿液可顯著提高路基的物理學性能，進而強化路基的穩定性[5]。

3.2 數值模擬

3.2.1 建立數值模擬的模型

為了評估路基沉降治理措施的工程效果，利用FLAC 3D 6.00 軟件對其開展數值模擬，建模過程如下。

①路基注漿模型

注漿過程采用兩種方式，分別為鋼花管注漿和普通注漿。鋼花管注漿的橫縱間距分別為2.0m、1.5m，普通注漿的橫縱間距均為2.0m，注漿管均采用梅花形布置方式，鋼花管注漿布置在外坡角，普通注漿在路堤范圍內。路基寬度、路堤高度分別為26.0m、3.3m，按照1:2 進行放坡，各地質土層的厚度與路基實測情況保持一致。

②基本假設

第一，路基土體為分層結構，符合Mohr-Coulomb 準則；第二，鋼花管為線性的彈性體；第三，忽略路基基土的排水固結效應。

3.2.2 模擬條件及結果

①初始狀態

模擬的初始狀態包括抽水活動導致的地下水水位下降和車輛載荷，水位下降設定為5.0m，車輛載荷為掛車-120級。

②模擬工況

工況是指注漿深度，增加注漿深度能夠提高路基的穩定性，但也會顯著增加治理成本。在模擬過程中采用三種注漿深度，分別為10m、15m以及20m。

③模擬結果

通過軟件模擬不同注漿深度下的路基最大豎向位移和最大橫向位移，并且對比不注漿深度對應的路基位移量，得到結果如表4 所示。路基沉降與沉降時間的模擬結果見表5。

表4 數值模擬數據

表5 沉降量與沉降時間的模擬結果

④結果討論

第一，從表4 的數據可知，增加注漿深度明顯降低了路基的豎向沉降量，同時有利于抑制水平方向的變形。

第二，從表5 的數據可知，路基達到沉降穩定所需的時長與注漿深度呈負相關，注漿深度越大，路基越早達到穩定。

第三，注漿措施對阻止路基沉降具有良好的效果，可用于處理公路路基沉降病害。

4 結語

本文通過沉降計算發現該公路的路基不存在振動液化的問題，導致其路基下沉的主要原因是大量抽取地下水和車輛載荷。針對已經開裂、沉陷的路基，采用注漿措施進行加固處理，可綜合運用鋼花管注漿和普通注漿。經過數值模擬，注漿深度為20m 時，路基沉降量最小，僅為不注漿時沉降量的48.53%，說明控制措施效果顯著。