沿江高速公路路基穩定性分析

摘 要：對于高速公路路基穩定性而言，要保證其豎向變形以及側向變形都在合理的范圍之內，可以通過沉降板對路基的豎向變形進行觀測，路基沉降超過極限值可能會對公路的行車安全造成影響，甚至對道路的結構造成破壞。除了對路基沉降的觀測，本文還介紹了一些關于路基側線變形的防治措施，主要是通過邊樁對公路側向位移進行觀測，為了防止由于側向位移引起的豎向沉降，需要開展對高速公路路基穩定性的研究。

關鍵詞：高速公路 路基 沉降 穩定性

中圖分類號：U416 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）02（a）-0053-02

1 工程概況

在十一五規劃期間，國家重點對安徽省的高速公路進行了進一步規劃，確定了十一五期間安徽省公路發展綱要，安徽省的高速公路建設進入了一個快速發展的階段，高速公路如雨后春筍般的大量涌現出來，為了進一步加強安徽省高速公路建設的步伐，根據安徽省高速公路規劃的數據顯示，到2020年時，安徽省高速公路建設的總里程將達到5500 km，形成四通八達的公路網建設。

安徽省沿江高速公路工程東起蕪湖市南郊張韓村，終至安慶大渡口，全長166.7 km。該工程設計為全封閉、全立交、全部控制出入，路基寬26 m，雙向四車道，瀝青混凝土路面，行車速度為100 km/h。沿江高速公路為國家重點公路天津—— 汕尾、東營—— 香港（銅陵—— 九江支線）的重要組成部分。向東與南京相連，向西與武漢、九江相接，通過蕪湖、銅陵、安慶長江大橋與已建成通車的國道主干線合寧高速公路、合安高速公路、合蕪高速公路共同構筑兩條快速通道，它的建設，對沿江經濟發展具有重要的戰略意義和現實作用。

沿江高速公路工程建設所在地處于長江中下游地區，按照水域劃分屬于長江流域，公路兩側地表較為平坦，但地勢較高，由于公路沿線需要跨越多條公路來了路線，所以有高填方路堤出現，公路兩側地下水位較淺，經過改造，公路兩側已經種植水稻等農作物。公路沿線的不良地質主要表現為軟土、液化土等等。

2 問題提出及解決方案

在沿江高速公路的快速建設過程中，路基的穩定性問題比較突出，而造成高速公路路基邊坡失穩的重要原因之一就是“粉土”的工程性質較差。下面結合兩個地基軟化較嚴重典型標段的數據（表1）對標段的穩定性進行研究。

2.1 沉降觀測方案

由于公路路基處于多水地段，路段周圍土體含水量較高，土體結構在受到外力作用時容易發生破壞，在交通荷載以及土體自重的的作用下，路基容易發生沉陷，在高速公路建設前，應該先對公路路基采取堆載預壓或者固結沉降等措施減小路基沉降，但是公路在長期使用過程中仍然會產生沉降變形。

本路段工程因其特有的施工特點造成了濕軟地基處治方案的特殊性，具體方法是在高速公路沿線進行長期的路基沉降觀測以及路基側向觀測。沉降板的布設是兩側據中樁14 m處安置1塊沉降板。從埋板開始每3天觀測一次。通過與永久水平坐標點的對比，若沉降量達到1.5 cm/d，則停止加載。

2.2 側向位移觀測方案

通常使用邊樁對路基的側向位移進行觀測，本文的試驗方法是采用邊樁對試驗路段的斷面進行觀測。為了便于對路基的側向位移進行觀測，采用邊樁設置于路堤兩側的坡腳。

在路基穩定檢測過程中，路基側向變形是一個比較敏感的指標，可以通過提高路基側向變形的監測精度來提高對軟土地基穩定監控的水平。目前采用的路基沉降預測方法，通常是在曲線數字擬合的基礎上進行的，但是這種方法忽略了側向變形的影響，沉降結果也實際結果的差異較大。

側向位移點布設在路堤兩側的坡腳處，離坡腳20 m處，標段內每100 m設置一次。每3天觀測一次，側移量達到5 mm/d時，標志著不穩定出現，停止加載。

3 路基沉降分析

當前對沉降規律的研究大都是基于經典理論的分析。其實，沉降的組成部分包含由側向位移產生部分附加沉降量，以及其他因素（如沖擊壓實）產生的沉降。

3.1 沉降的機理

土是由三相體系組成的非飽和體，三相體系的構成為固體土顆粒、液態水和氣體組成的多孔介質，在土體自重和外部荷載的作用下，土體中空隙中的空氣被壓縮，氣體和液體被排除三相體系，土的應力變化與變形是與時間相關的函數。

根據土體變形的發展過程，沉降主要有以下幾個階段。

3.1.1 塑-彈性變形

在對土體進行擾動填筑的過程中，路基土經過攤鋪、灑水、分層碾壓等施工工藝被強制壓縮，由于填土厚度的累加，填土的重量不斷增加，下層土受到的壓力越來越大，土體開始發生彈性形變。在土體沉降的這一階段中，填土高度與沉降量成正比。

3.1.2 不均勻變形階段

在土體的變形過程中，由于材料不均勻及其不受側向約束的影響，土體的應力分布不同于自重應力對其的影響，在路堤內應力集中的部分，土體內部容易產生剪切變形，從而造成橫線不均勻沉降，這種變形引起的沉降在工程初期影響不明顯，但是日后會逐漸表現出來。

3.1.3 蠕變階段

應變隨著時間的增長而增長就是蠕變現象。由于土體載荷和路面荷載是在施工完成之后很長時間內逐步形成的，所以蠕變不是在公路竣工之后才產生的。在填方路堤采用水平分布層填筑法分層填筑的過程中，可能在各層填筑的時間上產生時間差，蠕變沉降就是在時間間隙中產生。由于產生的時間存在間隔，所以這種蠕變沉降是一種不連續沉降。

高速公路路基沉降計算主要包括兩個方面的內容：一是路基沉降量計算；二是路基沉降時間統計。在處理應力-應變的關系時，通常采用胡克定律進行處理。

在公路路基的施工過程中，普遍采用以下幾種方法對路基沉降量進行計算。

（1）分層總和法。

假定地基土為直線變形體，在有限厚度的范圍內逐層求出其沉降量，然后進行累加，其累加值即為累計沉降量。計算公式如（1）。

（2）考慮前期固結壓力沉降的計算方法。

路基土的最終沉降主要由三部分組成：瞬時沉降、主固結沉降以及次固結沉降。三種沉降并不獨立發生，而是相互影響，所以在計算時要考慮相互作用的因素。

4 考慮側向位移的路堤沉降分析

4.1 側向位移引起的沉降量計算

關于側向位移引起的地基沉降量計算，本文主要采用公式推導的計算方式進行計算，沉降構成分解見圖1。計算假設如下。

（1）路堤在側向變形前后，其橫截面均按照矩形進行處理。

（2）土體體積在壓縮式保持不變。

（3）填筑的路堤僅在橫向上有變形，在其他方向上沒有變形。

以上數據顯示，地基處治對于控制地基沉降的效果明顯，由此推出，側向位移占總位移量的21%左右。

4.2 側向位移引起的沉降量分析

通過對路基沉降的分析，我們可以深入了解沉降的構成，瞬時沉降主要包括彈性變形和側向位移。

5 邊坡穩定性研究

在高速公路建設過程中，由于地形地貌的限制，導致高填深挖作業，從而產生大量的高路堤、深路塹。對這些路段的邊坡穩定性在施工前要進行計算，根據計算結果采取適當措施防止事故的發生。

5.1 穩定性評價方法

邊坡穩定性的分析方法一般可以分為定性分析法以及定量分析法，隨著一些更深的理論的產生，逐漸一批新的評價方法如工程地質法、邊坡可靠性分析法等開始得到應用。

通過對高速公路沿線的工程地質進行調查來獲取邊坡穩定性數據并進行歸納總結影響邊坡穩定性的方法統稱為定性分析法。采用這種方法可以對邊坡失穩的原因進行分析，并從分析結果中得到邊坡失穩力學機制以及邊坡土體結構破壞機理。采用這種方法可以快速地對邊坡穩定現狀等級作出評定。

通過考慮高速公路上荷載類型等因素對邊坡土體進行穩定性分析的方法通常稱為定量分析法，其特點是可以選擇適當的參數對路基邊坡的穩定系數進行驗算。

5.2 多因素敏感性分析

選取粘聚力、內摩擦角、中度、坡高、坡比，這5個因素進行正交表安排實驗，計算個參數的范圍及水平，并做出評價。（表4）

從本文涉及的沿江公路的工程實際來看，路基邊坡的高度是影響路基穩定性的最主要因素，在其他因素都相近的情況下，可以采取提高邊坡抗剪強度的方法提高路基邊坡穩定性。

6 結論及建議

（1）路基的填筑材料多為粉土，粉土顆粒細，水的穩定性差，路基的失穩大多是由于水的侵蝕所引起的。

（2）高速公路路塹邊坡的穩定性是一個復雜的工程問題。路塹邊坡是人工開挖邊坡，不良的排水措施和人為的開挖是邊坡失穩的重要誘發因素，邊坡穩定性是一個綜合的系統問題，其穩定性評價并不是單一的力學理論能代替的，要把定性分析和定量計算相結合。

（3）高速公路路塹邊坡是一種永久邊坡，穩定性評價的一次結論，無法代表邊坡永久的穩定性狀況，必須結合定期調查與監測分析。

（4）為了避免滑動破壞，高速公路素土的抗剪強度應不低于59kPa。

（5）實驗結果表明，對邊坡穩定性敏感度大小的因素依次是（從大到小）坡高>內摩擦角>坡比>凝聚力>重度，可以采用提高邊坡抗剪強度的方法提高邊坡穩定性指標。

參考文獻

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