高速公路路基沉降及施工技術(shù)分析

趙 李 寧

(太舊高速公路管理有限公司,山西 陽泉 045000)

路基的施工質(zhì)量對(duì)于高速公路的質(zhì)量具有十分重要的影響，更直接關(guān)系到高速公路的使用安全及質(zhì)量。因此對(duì)于路基沉降問題，必須采取切實(shí)有效的措施予以防治，以保證路基的質(zhì)量滿足施工及運(yùn)營要求。文章從公路路基沉降的原因出發(fā)，結(jié)合公路路基施工的主要內(nèi)容，分析高速公路路基沉降的施工技術(shù)，希望相關(guān)內(nèi)容能為高速公路路基施工與沉降處理提供指導(dǎo)意義。

1 公路路基沉降發(fā)生的原因

1.1 路基土層的應(yīng)力

由于公路具有線性特點(diǎn)，因此在路基施工的整個(gè)過程中，不同路段的項(xiàng)目條件各不相同，路基差異性較為明顯，因此導(dǎo)致沉降發(fā)生的原因也各不相同。當(dāng)路段位于地質(zhì)不良地區(qū)時(shí)，施工前必須注意對(duì)地基的處理和充分壓實(shí)，應(yīng)考慮到土層自重應(yīng)力與固結(jié)壓力之間的關(guān)系。地基在外界荷載的作用下，路基應(yīng)力將超過原有固結(jié)壓力，將導(dǎo)致其發(fā)生明顯應(yīng)力變形。當(dāng)土基自重應(yīng)力未超過但接近固結(jié)壓力時(shí)，即便土基未受到外界荷載，也可能因?yàn)槁坊冉Y(jié)構(gòu)的填筑，導(dǎo)致土層超過固結(jié)應(yīng)力完成固結(jié)。當(dāng)自重應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于固結(jié)應(yīng)力時(shí)，相當(dāng)于為路基路面結(jié)構(gòu)及車輛荷載預(yù)留了較大應(yīng)力空間，此時(shí)土層不易出現(xiàn)固結(jié)沉降。

1.2 填筑高度的影響

在實(shí)際施工時(shí)，路基的填筑高度也對(duì)土基沉降有較大影響，尤其是在路基出現(xiàn)側(cè)向位移時(shí)，沉降的可能性將會(huì)大大增加，同時(shí)土層內(nèi)剪應(yīng)力增大，容易導(dǎo)致較大范圍內(nèi)路基破壞。

1.3施工方面的原因

施工材料、工藝、質(zhì)量等都對(duì)地基的穩(wěn)定性有重要影響。如果對(duì)材料的管控不到位，則可能由于路基鋪筑材料的不均勻、規(guī)格差異等導(dǎo)致填筑路基的質(zhì)量不均勻，使路基面臨較大的下沉風(fēng)險(xiǎn)。在施工過程中排水、加固等措施的不合理、施工斷面尺寸等問題都可能加速路基的沉降出現(xiàn)。部分項(xiàng)目中，施工人員在作業(yè)時(shí)不注重填筑的厚度、壓實(shí)度等要求，隨意更改填筑的材料和施工順序等，導(dǎo)致路基的施工質(zhì)量不佳，極易導(dǎo)致路基失穩(wěn)。

1.4 地質(zhì)條件

地質(zhì)條件對(duì)路基穩(wěn)定的影響主要表現(xiàn)在巖層的產(chǎn)狀、結(jié)構(gòu)、裂隙發(fā)育等因素。如濕陷性黃土路段的地基，在干燥狀態(tài)下，其強(qiáng)度和壓縮性都較好，但是其結(jié)構(gòu)會(huì)在遇水后發(fā)生巨大變化，導(dǎo)致路基發(fā)生沉降。因此對(duì)于承載性質(zhì)不良的土基，應(yīng)在路基填筑前加以處理，如采用振沖置換法對(duì)深層軟弱土層進(jìn)行換填，采用錨網(wǎng)噴法處理破碎風(fēng)化巖層邊坡等，目的在于將不穩(wěn)定的土基進(jìn)行置換或加固，使其滿足地基承載的要求。

1.5 水文氣候

水文氣候可以細(xì)分為河流洪水位、降雨量、溫濕度、地下水情況等眾多因素。當(dāng)冬季氣溫低時(shí)，下層土基的水分會(huì)向上聚集，倘若路基填筑高度不足，則可能在路基內(nèi)部形成冰層，在春季氣溫升高后，冰層融化產(chǎn)生的滲水將對(duì)路基的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。當(dāng)路基處于地下水活躍的地區(qū)時(shí)，更應(yīng)密切關(guān)注可能對(duì)地基產(chǎn)生沖刷與潛蝕的地下水影響，考慮臨界水力坡度與滲流水力坡度等因素，避免土基由于地下動(dòng)水的作用出現(xiàn)管狀孔洞等不利情形。對(duì)于處在裂隙發(fā)育地區(qū)的路基，必須充分觀測(cè)其裂隙的發(fā)育及裂隙水情況，制定相應(yīng)的防排水及加固措施。

2 公路路基沉降的處置技術(shù)

在地基出現(xiàn)沉降時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行必要的加固處理以保證構(gòu)筑物的安全，避免沉降的繼續(xù)發(fā)展導(dǎo)致路基出現(xiàn)大范圍破壞。應(yīng)分析斷面的數(shù)值，根據(jù)試驗(yàn)所得的沉降與時(shí)間關(guān)系，對(duì)沉降的當(dāng)前情況與未來發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析。通常采用的路基沉降處置方式有換填土法、灌漿法、豎向排水法、固化劑法等。

2.1 換填土復(fù)填處理

換填土是處理軟土地基的常用方法，對(duì)于軟土層厚度不足3 m的路基段尤其適用。將路基寬度內(nèi)的軟土層進(jìn)行挖除后，換用排水性較好的填土，如砂、砂礫等，這類材料即便處于地下水位也能具備足夠的穩(wěn)定性。換填法成本低、施工簡單，部分路基只需通過簡單的表面挖除換填處置，就可以實(shí)現(xiàn)沉降處置的良好效果。

2.2 固化劑處理

固化劑處理也是工程實(shí)踐中的一種常用方法，通過將一定劑量的固化劑材料加入路基中，提高填土材料的強(qiáng)度及水穩(wěn)定性，以達(dá)到降低、緩解路基沉降的目的。固化劑的類型有固態(tài)和液態(tài)兩種，當(dāng)需要處理的土層僅為表面土?xí)r，可以采用液態(tài)類固化劑，當(dāng)需要處置的地基沉降較深時(shí)，應(yīng)考慮采用固態(tài)固化劑。

2.3 灌漿處理

當(dāng)路基沉降問題的深度及面積較大時(shí)，可以采用灌漿處理法，通過壓力將水泥漿注入路基孔內(nèi)，通過水泥漿的固化，形成新結(jié)石體，提高路基的整體性。

2.4 豎向排水

對(duì)于一些由于地下水導(dǎo)致的路基沉降問題，應(yīng)優(yōu)先對(duì)其排水狀況進(jìn)行改善。通過在地基內(nèi)布置塑料板或砂井，減少土內(nèi)的排水距離，提高土體的固結(jié)速度，但是應(yīng)對(duì)砂井的間距和處理范圍進(jìn)行分析，以確保安全性與沉降量的要求。

2.5 重錘夯擊法

重錘夯實(shí)法是通過高空自由落下的重錘，產(chǎn)生的沖擊能，使土層在一定深度內(nèi)達(dá)到密實(shí)，是一種能夠有效消除地基濕陷性，提高地基承載力的方法在地基出現(xiàn)沉降時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行必要的加固處理以保證構(gòu)筑物的安全，避免沉降的繼續(xù)發(fā)展導(dǎo)致路基出現(xiàn)大范圍破壞。在制定施工方案時(shí)，應(yīng)開展試樁試驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)與沉降結(jié)果，提高夯擊方案的合理性與可行性。

3 公路路基沉降的施工質(zhì)量控制

3.1 高速公路路基施工流程

要分析高速公路路基沉降的施工技術(shù)，應(yīng)當(dāng)清楚其施工的工藝流程，文章對(duì)路基施工的流程進(jìn)行了梳理，見圖1。

3.2 原地面處理

在施工前準(zhǔn)備階段，需要開展施工組織計(jì)劃、場(chǎng)地清理、填筑試驗(yàn)、地基處理等工作。填筑工作應(yīng)當(dāng)在場(chǎng)地清理完成后，當(dāng)場(chǎng)地內(nèi)土質(zhì)處于松散狀態(tài)時(shí)，填筑工作應(yīng)在壓實(shí)后進(jìn)行。對(duì)于地基土不良地段還應(yīng)采取必要的換填與加固措施。

3.3 路基填筑

當(dāng)路基取土能夠滿足或者稍加處置可以滿足使用要求時(shí)，應(yīng)盡量選擇挖土方為路基填料，進(jìn)行填土施工的作業(yè)時(shí)，相關(guān)填土參數(shù)的確定應(yīng)以事先開展的填筑試驗(yàn)結(jié)果為主，路堤填料應(yīng)滿足表1的要求方可用于施工。同時(shí)必須嚴(yán)格遵守相關(guān)設(shè)計(jì)要求，如材料、厚度、壓實(shí)度等，保障路基填筑的質(zhì)量。填筑完成后，可以通過與野外取土試驗(yàn)的結(jié)果做對(duì)比，來檢驗(yàn)路基的壓實(shí)度。

表1 路堤填料的強(qiáng)度及粒徑要求

3.4 攤鋪、整平

在進(jìn)行攤鋪?zhàn)鳂I(yè)前，應(yīng)先對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行處理以保證平整，先用推土機(jī)進(jìn)行場(chǎng)地初平施工，再利用平地機(jī)進(jìn)行場(chǎng)地終平施工。在攤鋪時(shí)，應(yīng)盡量平整均勻，為了保證路基施工的排水效果，應(yīng)將層面兩側(cè)處理成傾斜狀，并調(diào)整橫向排水坡的坡率，一般以2%～4%為宜。

3.5 灑水、晾曬填料

填料的含水率對(duì)于路基的穩(wěn)定性也有較大影響。因此在進(jìn)行路基填筑前，應(yīng)保證路基填料的含水量滿足相關(guān)要求，工程實(shí)踐中，常常通過灑水和晾曬的方法使材料含水量滿足規(guī)范中對(duì)最佳含水率的要求。

3.6 碾壓

通常采用振動(dòng)壓路機(jī)對(duì)路基進(jìn)行壓實(shí)，通過鋼輪的振動(dòng)與打擊使土層逐漸密實(shí)。在進(jìn)行路基壓實(shí)施工時(shí)，碾壓方向應(yīng)為從邊緣至中間，采取先快速碾壓后慢速碾壓、先靜壓后振動(dòng)碾壓的方式，同時(shí)在碾壓過程中應(yīng)注意輪跡的重疊。在進(jìn)行縱向碾壓時(shí)，應(yīng)注重對(duì)重疊范圍的控制，縱向行與行之間的碾壓的重疊以0.3 m～0.5 m為宜。應(yīng)保證路基碾壓的均勻性，避免由于碾壓不到位出現(xiàn)死角或偏壓，導(dǎo)致路基壓實(shí)不均勻影響穩(wěn)定性。高速公路路堤的壓實(shí)度應(yīng)滿足表2的要求。

表2 高速公路路基壓實(shí)度要求

3.7 沉降監(jiān)測(cè)

路基施工組織設(shè)計(jì)前應(yīng)及時(shí)開展路基沉降監(jiān)測(cè)，內(nèi)容包含水平位移檢測(cè)、沉降檢測(cè)、土壓力檢測(cè)、孔隙水壓力檢測(cè)等，以便對(duì)路基的沉降情況與發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行充分了解，并對(duì)地基的工后沉降量進(jìn)行預(yù)測(cè)，為制定合理的施工方案提供依據(jù)。在施工期間與施工后，還應(yīng)繼續(xù)對(duì)路基沉降參數(shù)進(jìn)行觀測(cè)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)與施工方案的正確性，同時(shí)根據(jù)實(shí)際沉降情況，及時(shí)采取相應(yīng)措施。

1)沉降觀測(cè)。通常采用分層沉降標(biāo)和沉降板觀測(cè)路基沉降，觀測(cè)的重點(diǎn)路段一般是填土高度大、地基土性質(zhì)差、軟土分布情況變化段、半填半挖段等。在布置沉降觀測(cè)儀器時(shí)，若遇到軟土地基，相關(guān)埋設(shè)工作應(yīng)在墊層頂填土前完成。高速公路路基的工后沉降應(yīng)滿足表3的要求。

表3 高速公路路基工后沉降要求

2)水平位移觀測(cè)。通常對(duì)于表面土的水平位移觀測(cè)，采用邊樁觀測(cè)法，觀測(cè)儀器通過打入埋設(shè)。對(duì)于內(nèi)部土體監(jiān)測(cè)采用測(cè)斜管法，儀器埋設(shè)采用鉆機(jī)導(dǎo)孔，由于傾斜管具備較好的彎曲性能，尤其適合于軟土地基的內(nèi)部水平位移觀測(cè)。

3)工程實(shí)踐中通常用孔壓計(jì)進(jìn)行孔隙水壓力的觀測(cè)，壓力監(jiān)測(cè)儀器以2 m為間隔，自砂墊層底部開始埋設(shè)。用土壓力計(jì)對(duì)土壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，監(jiān)測(cè)儀器可通過挖坑埋設(shè)于路基內(nèi)，應(yīng)保證挖槽底的平整密實(shí)以及壓力計(jì)的水平布設(shè)。

4 實(shí)例分析

4.1 工程概況

山西省某高速公路項(xiàng)目，全長77.7 km，雙向四車道，公路沿線地質(zhì)較為復(fù)雜，其中濕陷性黃土路段大約占全長的70%，路基多為超過10 m的高填方路基，對(duì)于路基壓實(shí)及工后沉降有較高要求。項(xiàng)目采用重錘擊實(shí)法進(jìn)行路基沉降的控制。

4.2 重錘擊實(shí)處理方法的實(shí)際應(yīng)用

本項(xiàng)目采用重錘擊實(shí)法對(duì)路基填方段Q3黃土段進(jìn)行沉降控制處理。對(duì)于超過10 m的高填方路基，每2 m采用一次重錘滿夯，落距保證在6 m以上，錘重應(yīng)超過40 kN，并根據(jù)試驗(yàn)確定夯實(shí)遍數(shù)，4 d后、7 d后應(yīng)分別達(dá)到250 kPa,300 kPa。對(duì)于濕陷性黃土分布較廣的地區(qū)，在施工完路基后，應(yīng)注重路基排水設(shè)施的設(shè)計(jì)和施工，避免水對(duì)地質(zhì)土的不良影響，保證路基的穩(wěn)定性。

具體施工方法：1)正常碾壓施工，應(yīng)注重對(duì)碾壓厚度及含水量的控制，當(dāng)實(shí)測(cè)壓實(shí)度達(dá)到90%時(shí)即可采用重錘擊實(shí)法控制路基沉降；2)夯機(jī)就位，以水準(zhǔn)儀控制落錘高程，將夯機(jī)錘提升至8 m落距位置，重復(fù)夯打，直至兩擊沉降平均值在5 cm內(nèi)即可換點(diǎn)進(jìn)行夯擊作業(yè)；3)換點(diǎn)后，重復(fù)上述步驟夯擊路基；4)在夯實(shí)施工完成后的4 d～7 d內(nèi)，應(yīng)及時(shí)檢測(cè)地基承載力。

5 結(jié)語

路基沉降對(duì)高速公路的安全和使用壽命有重要影響，因此，必須高度重視公路路基的施工質(zhì)量。文章分析了造成高速公路路基沉降的因素、施工技術(shù)以及質(zhì)量控制，希望能從施工層面提高路基的施工質(zhì)量與沉降水平，確保公路建設(shè)及運(yùn)營的安全穩(wěn)定。