軟弱路基在山區(qū)高速公路上的變形特征研究

摘要 為深入探究山區(qū)高速公路軟弱路基的變形特征和穩(wěn)定性問(wèn)題，該文通過(guò)介紹軟弱路基變形特征的分類與分析方法，闡述了軟弱路基在山區(qū)高速公路上的變形特征和變形機(jī)理。同時(shí)，通過(guò)離心試驗(yàn)?zāi)M了山區(qū)高速公路軟弱路基在不同工況下的受力狀態(tài)，進(jìn)一步驗(yàn)證了軟弱路基的變形規(guī)律和破壞模式。依托項(xiàng)目軟弱路基工程概況分析，該文詳細(xì)介紹了實(shí)際工程中軟弱路基的工程特性、地質(zhì)環(huán)境和施工情況，為后續(xù)的變形觀測(cè)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在變形觀測(cè)方面，該文采用了多種監(jiān)測(cè)手段對(duì)軟弱路基的變形進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，得出了軟弱路基在山區(qū)高速公路上的變形規(guī)律和影響因素。研究結(jié)果表明：通過(guò)合理的工程設(shè)計(jì)和施工措施，可以有效地控制軟弱路基的變形和破壞，提高山區(qū)高速公路的穩(wěn)定性和安全性。

關(guān)鍵詞 山區(qū)高速公路；軟土路基；變形特性

中圖分類號(hào) U416 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）14-0149-03

0 引言

山區(qū)高速公路建設(shè)面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中軟弱路基問(wèn)題尤為突出。軟土地基因其低強(qiáng)度、高壓縮性等特性，在外界荷載下極易產(chǎn)生變形，從而降低公路的安全與服役年限。軟弱路基的變形主要受到地質(zhì)條件、環(huán)境因素和工程荷載等多重因素影響[1]。山區(qū)公路因地形和地質(zhì)條件的變化而異，軟弱路基的變形特征尤為復(fù)雜。常見(jiàn)的變形類型包括沉降、滑移和擠壓等。這些變形不僅影響道路的平整度，還可能引發(fā)更嚴(yán)重的安全問(wèn)題。研究軟弱路基在山區(qū)高速公路上的變形特征，對(duì)于保障道路安全、提高工程質(zhì)量具有重要意義。

1 軟弱路基變形特征分類與分析

軟弱路基的變形主要包括壓縮變形和側(cè)向變形兩種。壓縮變形是由于路基材料在垂直方向上受到壓力作用而產(chǎn)生的變形，通常表現(xiàn)為沉降；側(cè)向變形則是由于路基材料在水平方向上受到剪切力作用而產(chǎn)生的變形，通常表現(xiàn)為滑移或擠壓[2]。軟弱路基的壓縮變形主要發(fā)生在道路使用初期，隨著時(shí)間的推移，變形速率逐漸減緩。壓縮變形的大小與路基材料的性質(zhì)、壓實(shí)度、外部荷載等因素密切相關(guān)。在山區(qū)高速公路中，由于地形起伏大，路基的壓縮變形往往表現(xiàn)出不均勻性，即不同位置的變形量存在差異[3]。對(duì)于壓縮變形特征的測(cè)定可通過(guò)在壓縮儀上進(jìn)行單向壓縮試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)。圖1為壓縮儀基本結(jié)構(gòu)圖。

在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，需要確保試樣不會(huì)受到任何來(lái)自側(cè)向的力，通過(guò)分級(jí)加載荷載的方式，每增加一級(jí)荷載，在土樣達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)測(cè)其變形量，直到完成最后一級(jí)荷載加載為止[4]。根據(jù)土樣初始高度、初始孔隙比等參數(shù)，通過(guò)下述公式計(jì)算得出加載后的孔隙比：

式中：代表加載后的孔隙比，代表初始孔隙比，代表加載后土樣的變形量（m），代表土樣初始高度（m）。壓縮性可以通過(guò)壓縮系數(shù)計(jì)算得出。壓縮系數(shù)是指土體壓縮量的大小，其公式為：

式中：代表壓縮系數(shù)，代表初始荷載條件下的孔隙比，代表最終荷載條件下的孔隙比，代表初始荷載（kN/㎡），代表最終荷載（kN/㎡）。壓縮系數(shù)越大，則說(shuō)明壓縮性越高。還可通過(guò)壓縮指數(shù)計(jì)算，確定壓縮性，公式為：

式中：代表壓縮指數(shù)。

側(cè)向變形主要表現(xiàn)為路基的滑移和擠壓。滑移通常發(fā)生在路基的邊坡處，由于邊坡穩(wěn)定性不足，受到降雨、地震等外部因素的影響，容易發(fā)生滑移現(xiàn)象。擠壓則多發(fā)生在路基的橫向連接處，由于路基材料的側(cè)向約束不足，容易發(fā)生擠壓變形。

2 山區(qū)高速公路軟弱路基離心試驗(yàn)

離心試驗(yàn)是利用離心力場(chǎng)模擬實(shí)際工程中的重力場(chǎng)，通過(guò)調(diào)整離心機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際工程中的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)的模擬。離心試驗(yàn)裝置主要包括離心機(jī)、模型箱、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分[5]。在試驗(yàn)過(guò)程中，將軟弱路基模型放置在模型箱內(nèi)，通過(guò)調(diào)整離心機(jī)的轉(zhuǎn)速和加載方式，模擬不同工況下的路基受力狀態(tài)。引入高速旋轉(zhuǎn)的土工離心機(jī)，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

利用該裝置使其產(chǎn)生的離心力為其自身重量的n倍，以彌補(bǔ)由于縮比1/n引起的自重應(yīng)力損耗，使其與原型在應(yīng)力、應(yīng)變等條件下保持一致。與一般靜態(tài)狀態(tài)下的物理模型相比，更符合真實(shí)情況，對(duì)于研究以自重為主的巖土工程力學(xué)行為具有重要意義。通過(guò)離心模型實(shí)驗(yàn)，利用離心力場(chǎng)對(duì)重力場(chǎng)進(jìn)行模擬，將工程結(jié)構(gòu)物的自重提升至與原型對(duì)應(yīng)的狀態(tài)。

在此基礎(chǔ)上，采用1/N比例離心模型，將超孔隙水壓力分布與1/N2的離心模型進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在離心力場(chǎng)作用下，孔隙水壓力的消失時(shí)間會(huì)縮短1/N2倍[6]。這一特征可用于模擬真實(shí)土壤經(jīng)過(guò)幾十年乃至幾百年時(shí)間的固結(jié)過(guò)程。通過(guò)調(diào)整離心模型的尺度和離心力場(chǎng)，可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)實(shí)際工程中土層的長(zhǎng)期固結(jié)行為，從而優(yōu)化山區(qū)高速公路軟弱路基的設(shè)計(jì)與施工方法。

離心模型試驗(yàn)與重力場(chǎng)的差異在于試驗(yàn)?zāi)Ｐ退艿碾x心力場(chǎng)特性[7]。離心機(jī)轉(zhuǎn)臂在離心過(guò)程中產(chǎn)生的離心力場(chǎng)，離心機(jī)轉(zhuǎn)子以角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，徑向上的質(zhì)點(diǎn)將承受離心力與重力的雙重影響。由于離心力場(chǎng)并不能充分反映實(shí)際情況，因此，離心模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與實(shí)際情況相差甚遠(yuǎn)[8]。然而，通過(guò)精確控制離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和加載條件，可以最大限度地減小這種近似性，從而更準(zhǔn)確地模擬實(shí)際工程中的應(yīng)力和應(yīng)變狀態(tài)。假設(shè)其合力為，公式為：

式中：代表應(yīng)變量（mm）。代表制模半徑（mm）。代表重力加速度（mm/s2）。

結(jié)合上述論述，在試驗(yàn)前完成填土制模。在工程實(shí)踐中，首先要確定填料的最大干密度不能超過(guò)2.09 g/cm3，最優(yōu)含水量要達(dá)到9.0%。隨后，依據(jù)這些參數(shù)繪制擊實(shí)曲線，如圖3所示。

在填筑過(guò)程中，嚴(yán)格控制壓實(shí)度和填筑高度，以確保各層壓實(shí)質(zhì)量。同時(shí)，為了減小模型箱周邊可能產(chǎn)生的邊界效應(yīng)，在制模時(shí)在模型箱周圍涂抹黃油。

3 依托項(xiàng)目軟弱路基工程概況分析

為更直觀分析軟弱路基在山區(qū)高速公路上的變形特征，依托某軟弱路基工程項(xiàng)目，對(duì)其進(jìn)行路基變形特征分析。該工程路線穿越的地段主要是耕地，位于一緩坡地帶。在這一區(qū)域，可以觀察到基巖局部露出地表，這些基巖受到了強(qiáng)烈的侵蝕和溶蝕作用。整個(gè)場(chǎng)區(qū)的標(biāo)高范圍在1 572.4～1 658.8 m之間，相對(duì)的最大高差約為86.4 m。而該項(xiàng)目所穿越的路段，海拔1 585.1～1 600.1 m，最大落差是15 m。

從地貌特征上看，該場(chǎng)區(qū)屬于構(gòu)造侵蝕－溶蝕型中低山地貌。這意味著該地區(qū)的地形地貌是在長(zhǎng)期的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和地表侵蝕、溶蝕作用下形成的。這種地貌類型通常具有地形起伏較大、地表形態(tài)復(fù)雜多樣的特點(diǎn)。在工程建設(shè)中，需要充分考慮這種地貌特征對(duì)路線設(shè)計(jì)和施工的影響，采取相應(yīng)的工程措施，確保工程的安全性和穩(wěn)定性。

4 依托工程軟弱路基變形觀測(cè)

在完成上述工程項(xiàng)目的路基填筑后，在斷面上進(jìn)行變形觀測(cè)，觀測(cè)點(diǎn)的布置如圖4所示。

圖4中A、B、C觀測(cè)點(diǎn)位于路基頂面，D、E觀測(cè)點(diǎn)位于路基邊坡外，F(xiàn)、G觀測(cè)點(diǎn)位于地表坡腳位置。通過(guò)對(duì)各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)實(shí)際測(cè)量變形數(shù)據(jù)的獲取，總結(jié)軟弱路基在山區(qū)高速公路上的變形特征。

水平位移監(jiān)測(cè)：為了對(duì)路基的水平變形進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方法，在路堤的坡腳處設(shè)置了預(yù)制的鋼筋混凝土邊樁。邊樁要小心地安置在路堤兩邊的趾部，溝的外緣和距路外10 m遠(yuǎn)的地方。為了保證資料的準(zhǔn)確、可靠，在測(cè)量過(guò)程中，使用高精度的全站儀，并使用了視準(zhǔn)線或單三角前交會(huì)等方法。表1中記錄了各觀測(cè)點(diǎn)水平變形數(shù)據(jù)。

在前100 d的監(jiān)測(cè)期內(nèi)，側(cè)向變形以集中為主，后期趨于收斂；在路堤上部，設(shè)置三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)：A、B、C。結(jié)果表明，點(diǎn)A處的水平位移最大，為-4 mm，B處為最小值，為-1.5 mm。在此過(guò)程中，邊坡平臺(tái)上D點(diǎn)和E點(diǎn)的水平位移分別為-3.5 mm和3 mm。在路堤邊坡上，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)均未出現(xiàn)水平位移，說(shuō)明基礎(chǔ)不存在剪切破壞。

垂直位移測(cè)量采用了一種由鋼底板，金屬測(cè)桿，防護(hù)套組成的沉降板。為保證監(jiān)控的精度，鋼基板的大小設(shè)置為60 cm×60 cm×3 cm，測(cè)量桿的直徑為4 cm。這些沉降板被精心布置在路基的左右路肩、中央分隔帶、路基邊坡平臺(tái)以及地表坡腳處，以便全面而準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)豎向變形情況。表2中記錄了各觀測(cè)點(diǎn)豎向變形數(shù)據(jù)。

在施工后100 d之內(nèi)，路基土體處于固結(jié)階段。在固結(jié)結(jié)束后，地基沉降趨于平緩。在路基頂面的A、B、C三個(gè)測(cè)點(diǎn)中，A處豎向位移最大，為-17 mm，最小處為C，豎向位移-15 mm。在邊坡平臺(tái)上，點(diǎn)D和E分別沉降-10 mm和-9 mm。特別指出，在路堤坡腳處的F、G點(diǎn)的豎向變形較小，這進(jìn)一步證實(shí)了地基并未發(fā)生剪切破壞。

5 結(jié)論

該文通過(guò)對(duì)軟弱路基在山區(qū)高速公路上的變形特征進(jìn)行研究，揭示了其變形規(guī)律和影響因素。為保障道路安全和提高工程質(zhì)量，建議采取以下措施：加強(qiáng)地質(zhì)勘探和前期設(shè)計(jì)工作，準(zhǔn)確評(píng)估軟弱路基的工程特性；優(yōu)化施工方案，采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧岣呗坊某休d能力；加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)期間的監(jiān)測(cè)和維護(hù)工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理變形問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1]賈靜靜.注漿加固黃土沖溝虛填段路基變形及穩(wěn)定性分析[J].市政技術(shù)，2024（2）：62-67.

[2]繆丹，陳洋，王鳳之.軟土路基堆載預(yù)壓過(guò)程中的變形及控制標(biāo)準(zhǔn)分析研究[J].廣東土木與建筑，2024（1）： 20-24.

[3]梁宇.既有高速鐵路路基幫寬對(duì)既有高速鐵路變形控制的研究[J].工程機(jī)械與維修，2024（1）：94-97.

[4]劉躍成，伍東衛(wèi)，蔣中明，等.道路兩側(cè)綠地蓄水對(duì)路基滲透變形的影響研究[J].湖南交通科技，2023（4）：85-90.

[5]王虎，李棟，唐昌意，等.深基坑開(kāi)挖影響下深厚軟土路基變形規(guī)律研究[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2023（6）：2011-2019.

[6]宋川云，鐘有信，徐帆，等.基坑開(kāi)挖與支護(hù)方式對(duì)鄰近路基變形的影響[J].建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)，2023（12）：158-160.

[7]王志強(qiáng)，崔仕杰，肖文斌.基于FLAC3D的黃土地區(qū)路基拓寬變形數(shù)值分析[J].建筑技術(shù)開(kāi)發(fā)，2023（12）：122-124.

[8]王長(zhǎng)丹，散騫騫，王炳龍，等.城市軌道交通新建路基對(duì)鄰近既有樁筏結(jié)構(gòu)路基水平變形的影響[J].城市軌道交通研究，2023（12）：38-42.

收稿日期：2024-02-27

作者簡(jiǎn)介：辛權(quán)（1993—），男，本科，工程師，從事建筑施工工作。