高速公路路基沉降觀測及預測方法

黃 侃

(江蘇省交通科學研究院股份有限公司)

1 工程概況

滬寧高速公路是江蘇省建成通車的第一條高速公路,自1996年建成通車后,滬寧高速公路江蘇段的交通量快速上升,原有雙向四車道已不能滿足日益增長的交通量的需求,部分路段的通行能力已經飽和,道路服務水平明顯降低,擴建已是勢在必行。

擴建工程主線全長248.216km,按八車道高速公路標準建設,全封閉,全立交,計算行車速度為 120km/h。擴建工程從 2003年 5月試驗段開始,2003年 11月全面開工建設,2005年 6月底,滬寧高速公路南幅四車道基本完成路面的施工,2005年 12月底全線八車道建成通車。

2 沉降觀測的目的和意義

擴建高速公路路基由于新老路基修筑歷史、不同地基處理方式、填料和壓實度的差異,新老路基頂面將產生橫向不均勻沉降變形。這種不均勻變形將會導致路面結構產生附加應力,一旦這種附加應力超過路面材料本身的容許強度,路面便會產生結構性破壞。

通過觀測施工過程中地基變形和穩定性的變化和發展,監視地基動態變化,探討地基穩定性及變形的規律,檢驗設計地基的加固和預壓效果。這些研究工作不僅能為填筑計劃的制定和執行提供定量的參考數據,保證填筑過程中路堤的安全;同時,沉降速率、最終沉降和工后沉降等的預測也是正確客觀地評價軟基處理方案和運營期路基穩定性等的重要依據。

監測的目的主要有:通過對沿線各觀測斷面的填土過程進行安全監測,發現可能發生危險的先兆,判斷工程的安全性,并建議采取必要的工程措施,防止工程破壞事故的發生;以現場監測的結果指導施工,確定和優化施工方案,進行信息化施工,達到安全快速填筑的目的;檢驗工程勘察地質資料的可靠性,驗證設計理論和設計參數;積累高速公路的施工經驗,以便今后類似工程的施工。

3 沉降觀測點的布設

3.1 沉降觀測點的布置原則

(1)為保證數據的可對比性,設置斷面應盡可能考慮和原來老路設置的中央分隔帶觀測點在同一個斷面進行;為了保證與施工期觀測數據的連續性,工后觀測斷面與擴建工程施工期的觀測斷面保持一致。

(2)依據施工期的沉降觀測成果以及橋梁等結構物的重要程度,工后沉降觀測在路基兩側路肩適當增設觀測點。

(3)考慮到路基北側施工較南側晚,路基固結時間相對較短,部分橋頭斷面在北側路肩適當增設沉降觀測點。

(4)不同地基處理方法過渡路段根據施工期的沉降特點適當增設觀測斷面。

(5)針對高填方、粉煤灰填方、不處理地基、填挖交界帶、深攪樁處理地基、老路沉降不穩定地段以及長度較短的管樁處理地段等幾種情況,并綜合工程地質條件,根據地質情況和老路沉降資料,在一些關鍵的特殊路段適當增設觀測斷面。

3.2 沉降觀測斷面

工后沉降觀測斷面的位置及其觀點的位置和數量主要根據我院施工期的沉降觀測大綱確定,并在 2004年 5月 ～2006年 6月實測數據的基礎上進行了優化。由于路基施工期未在北幅設置沉降觀測點,因此本次工后沉降觀測在北幅部分橋頭也設置了觀測點,以掌握擴建后北幅路基的沉降變形規律。

4 沉降觀測成果分析

4.1 現場路況調查

在監控路基沉降情況的同時,對運營期的路面狀況也進行了現場調查,滬寧高速公路擴建工程交工近 3年,局部路段曾經出現橫向裂縫、路面坑洼、雨后積水等現象,主要的病害統計如下。

(1)橫向裂縫。

滬寧高速公路蘇州段、無錫段局部路面曾出現橫向裂縫。蘇州段出現的裂縫已經過灌入瀝青材料加以封閉處理,無錫錫澄運河北橋頭段已經過瀝青加鋪處理。

(2)雨后路面積水。

此類病害曾經出現在南京段 K263+730～K264+000, K265+150～K265+200,K268+500～K268+550這三個路段,在雨后出現過輕微的路面積水現象,目前路面已基本無明顯的積水現象。

4.2 沉降量情況

(1)新路沉降情況。

①為了對全線新路的總體沉降進行評價,采用各觀測時間段內全線新路的總平均沉降量(通過前后 2次觀測,得到1個時間段的沉降量的全線平均值)作為描述指標。從中可以看出:擴建工程路基施工期間,全線新路的平均沉降量較大,2005年 1月進入路面施工期后,平均沉降量明顯減小,運營期內的平均沉降量更小,截止到 2008年 3月,新路基全線平均的累計沉降量為2.58cm。

由實測的成果曲線反算地基固結系數或推算最終沉降量的方法較多,常用的有雙曲線法、沉降速率法、三點法等。這些方法經試用均有優缺點,關鍵是應用時需憑一定的經驗和技巧。根據本次工后沉降的觀測成果,經過試用發現三點法擬合程度較好,比較接近實際情況。因此,本次采用三點法對沉降稍大的觀測點進行工后沉降推算。

三點法的功能是:從沉降時間關系曲線上,取最大恒載時段內間隔相等的三點的沉降和時間數據,反算固結系數,預測任意時刻的沉降和最終沉降。

從沉降—時間關系曲線上,取最大恒載時間段內的三點S1、S2、S3,且t3-t2=t2-t1。根據固結計算的通式Ut=1-αe-βT可導得

根據公式(1)、(2)計算S∞、β,并根據公式(3)求α

根據公式(3)也可以計算任意時間的沉降。

②新路基拼接路基處治后,針對全線所有測點,通過分析其實測沉降量(截止到 2008年 3月),采用三點法對最終沉降量進行預測。預測結果顯示,預測新路最終沉降量最大處位于K225+160(左),預測最終沉降量為9.16cm,其余觀測點的預測最終沉降量均小于 K225+160(左),故滿足“所有觀測點的累計沉降量均小于 15cm”的控制標準;預測新路工后沉降量最大處位于K30+918(左),預測工后沉降量為2.69cm,其余觀測點的預測工后沉降量均小于K30+918 (左),故滿足“工后沉降量均小于5cm”的控制標準。

(2)老路沉降情況。

①為了對全線老路的總體沉降進行評價,采用全線老路的總平均沉降量作為描述指標。從中可以看出:擴建工程路基施工期間,全線老路的平均沉降量較大,進入路面施工期后,平均沉降量明顯減小,運營期內的沉降普遍較小,沉降曲線呈現出明顯的收斂變化規律。截止到 2008年 3月,老路全線平均的累計沉降量為1.23cm。

②對于全線設置在老路基上的測點,通過用三點法進行工后沉降預測可以看出,全線大部分觀測點的工后預測總沉降量滿足“原路中心附加沉降小于 3cm”的控制標準,僅有三個觀測點(K33+555中、K33+602中、K33+620中)的工后預測總沉降量分別為3.37cm、3.71cm、3.50cm,稍大于原路中心附加沉降小于3cm的控制標準,但均小于4cm。

(3)路拱橫坡度情況。

結合沉降觀測數據,對全線觀測斷面的路拱橫坡度進行統計,找出同一橫斷面上左、中測點差異沉降最大的 12個典型斷面,計算了路基施工期、路面施工期、運營期以及最終預測的橫坡度變化情況。

對全線原有路基與拓寬路基的路拱橫坡度的變化情況進行統計,工后增加值均小于 0.5%。新路路肩與老路中分帶的差異沉降很小,斷面的橫坡比降差極小,完全符合“滬寧高速公路擴建工程的沉降控制標準”。

5 結 論

(1)全線新老路的沉降大部分發生在路基施工階段,進入路面施工后,沉降普遍減小,運營期內除個別點外,絕大部分測點的沉降趨于穩定。通過對個別沉降稍大的測點進行三點法預測:預測新路最終沉降量最大處位于 K225+160 (左),預測最終沉降量為 9.16cm,其余觀測點的預測最終沉降量均小于K225+160(左),故滿足“所有觀測點的累計沉降量均小于 15cm”的控制標準;預測新路工后沉降量最大處位于K30+918(左),預測工后沉降量為2.69cm,其余觀測點的預測工后沉降量均小于 K30+918(左),故滿足“工后沉降量均小于 5cm”的控制標準。全線原有路基與拓寬路基的路拱橫坡度工后增加值均小于 0.5%,新路路肩與老路中分帶的差異沉降很小,斷面的橫坡比降差極小。

(2)滬寧高速公路擴建工程工期緊、施工進度快,從施工期和運營期的觀測數據和預測結果來看,滬寧高速公路新老路基的整體穩定性目前總體良好,后續的沉降觀測工作對評價路基的穩定性仍有必要。

(3)長期的沉降觀測工作能夠確保新老路基在運營期間的穩定性,也為以后高速公路改擴建以及軟基處理方案的設計積累經驗,提供依據。

[1] 江蘇省高速公路擴建工程技術標準.南京:滬寧高速公路擴建工程指揮部,2003.

[2] 滬寧高速公路(江蘇段)擴建工程運營期沉降觀測與分析總報告.江蘇省交通科學研究院,2008.

[3] 傅珍,王選倉.高速公路擴建方式比較.大連理工大學出版社, 2006.

[4] 陳星光.高速公路擴建工程差異沉降控制技術研究.長安大學,2006.