高填方路基沉降預(yù)測(cè)及加固機(jī)理探究

唐穎

（中電建路橋集團(tuán)西部投資發(fā)展有限公司，四川 成都 610213）

一、高填方路基的基本特點(diǎn)

高填方路基的高度較大（普遍達(dá)到20cm左右），路基的自重較大，加之外部行車(chē)荷載等因素的影響，容易出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，嚴(yán)重影響車(chē)輛的正常通行。高填方路基的質(zhì)量要求高，既要保證地基的穩(wěn)定性，又要提高路基自身的抗壓強(qiáng)度，由此加大了施工的難度，對(duì)施工技術(shù)提出了較高要求。在高填方路基施工時(shí)，應(yīng)根據(jù)規(guī)范組織嚴(yán)謹(jǐn)計(jì)算，以確定路基的重量，結(jié)合所掌握的各項(xiàng)基礎(chǔ)信息確定合適的加固方法，從源頭上規(guī)避高填方路基沉降的問(wèn)題，保證車(chē)輛通行的平穩(wěn)性與安全性。

二、路基沉降的過(guò)程分析

路基沉降問(wèn)題是公路工程常見(jiàn)病害之一，路基出現(xiàn)變形和沉降會(huì)造成路面結(jié)構(gòu)斷裂，影響行車(chē)安全，縮短公路的使用年限。由于高填方路基是當(dāng)前山區(qū)高速公路路基施工的常見(jiàn)形式之一，如何控制高填方路基沉降量和變形量、提高路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和使用品質(zhì)便成為了急需解決的問(wèn)題之一。

（一）高填方路基特征

導(dǎo)致路基沉降和變形的根本原因是應(yīng)力變化，具體表現(xiàn)為彈性變形與塑性變形的雙重作用。在路基施工中，材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系服從廣義胡克定律。但實(shí)際情況下,對(duì)于巖土材料,胡克定律只在一定范圍內(nèi)適用。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)一定限度以后,巖土體內(nèi)部將產(chǎn)生部分塑性變形。

（二）非線性彈性

應(yīng)用最多的路基非線性彈性模型主要有三種，具體為變彈性模型、次彈性模型及超彈性模型，在路基變彈性模型中通常認(rèn)為彈性系數(shù)與彈性模量為變量。一般情況下，路基工程中的巖土材料為彈塑性介質(zhì)，可以應(yīng)用到的塑性理論的主要有全量理論與塑性增量理論兩種，基于塑性理論即可構(gòu)建方程，進(jìn)而計(jì)算出路基變形量。

（三）基本力學(xué)性能

在應(yīng)力變化的影響下，高填方路基土吸水性會(huì)增強(qiáng)，具體表現(xiàn)為土體顆粒表面吸附水，進(jìn)土體存在黏滯性，土體邊界約束力降低，在路基內(nèi)部應(yīng)力出現(xiàn)變化，土體顆粒變形移動(dòng)，導(dǎo)致路基結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。土體是一種兼具彈性、塑性、黏滯性的彈黏塑性體，流變性強(qiáng)，在路基結(jié)構(gòu)運(yùn)行過(guò)程中會(huì)受到荷載變化的影響，土體流變性描述也會(huì)受到其特性的影響。

三、高填方路基沉降變形規(guī)律的分析

（一）擊實(shí)試驗(yàn)

擊實(shí)試驗(yàn)是高填方路基沉降變形分析工作中的關(guān)鍵方法，試驗(yàn)所用材料的物理參數(shù)一致。試驗(yàn)中，棄渣以泥漿為主要成分，夾雜部分石灰?guī)r。根據(jù)材料的粒徑特點(diǎn)，將石灰?guī)r作為路堤粗集料，細(xì)料土選用的是頁(yè)巖土和黏土兩類?？紤]到離心模擬操作的便捷性要求，在離心模型設(shè)計(jì)工作中，依據(jù)最大離心率確定最為合適的用料最大粒徑。試驗(yàn)所用土的粒徑在4.75mm以內(nèi)，共設(shè)定四種土石比，按照各比例制備相應(yīng)的土石混合料，并對(duì)其展開(kāi)擊實(shí)試驗(yàn)，分別測(cè)定各組的最佳含水量和抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，基于各組試驗(yàn)結(jié)果做出對(duì)比分析。試驗(yàn)中所需用到的擊實(shí)儀如圖1所示。

圖1 擊實(shí)儀

（二）土工離心模型試驗(yàn)

以增加離心模擬重力的方式組織試驗(yàn)，用于反映原型在力的作用下所呈現(xiàn)出的變形過(guò)程。高填方路基填料的土石比不同，對(duì)應(yīng)的施工方法將隨之改變，土石路堤沉降實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定所耗費(fèi)的時(shí)間較長(zhǎng)，并不能在施工階段達(dá)到完全沉降穩(wěn)定的狀態(tài)。在圍繞高填方路基的壓縮變形特性展開(kāi)分析時(shí)，需考慮的是高填方路基的各類土石比，分析在土石比發(fā)生變化后對(duì)應(yīng)的沉降特點(diǎn)，從中摸索出兩項(xiàng)指標(biāo)間所存在的影響機(jī)制。構(gòu)建的離心模型可用于模擬各類填筑材料，進(jìn)而給沉降預(yù)測(cè)模型提供試驗(yàn)資料，以便高效開(kāi)展試驗(yàn)工作。

四、高填方路基不均勻沉降的原因

（一）地質(zhì)、地形原因

高速公路的建設(shè)里程較長(zhǎng)，沿線經(jīng)過(guò)的地質(zhì)區(qū)域類型豐富，不同區(qū)段的地基土特性存在差異，從根本上決定了路基沉降特性的差異化現(xiàn)象。此外，路基填筑施工中所用填料并非完全一致，即便相同的填料也會(huì)由于生產(chǎn)工藝、批次等原因出現(xiàn)質(zhì)量差別。因此，在多重因素的共同作用下，各路段路基的強(qiáng)度和沉降量也有所不同。若缺乏針對(duì)性的處理措施，很容易由于局部承載性能或其他方面的不足而出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象，例如路基下沉、基層受損等，如圖2所示。

圖2 路基沉降斷面圖（m）

（二）過(guò)渡段差異

高速公路建設(shè)中，例如路橋涵的過(guò)渡段、臺(tái)背沉降段等均是較為特殊的路段，該部分路基剛度有較明顯的差別，會(huì)因?yàn)榱W(xué)性質(zhì)協(xié)同性不足而誘發(fā)路基不均勻沉降現(xiàn)象。例如，重新填方的路基和挖方的路基在剛度方面有較大差別，經(jīng)過(guò)壓實(shí)處理后，若壓實(shí)度相對(duì)欠佳，后續(xù)受行車(chē)荷載、降雨等因素的影響容易出現(xiàn)沉降的問(wèn)題。臺(tái)背沉降路段則體現(xiàn)在臺(tái)背、路基結(jié)構(gòu)差異化的層面，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，有差異性沉降的地點(diǎn)，車(chē)輛通行的平順性將受到嚴(yán)重影響。

（三）路基填料不均勻

秉承著資源效用最大化的原則，路基挖方施工中產(chǎn)生的多余土料將被應(yīng)用于填方施工中，若無(wú)法精準(zhǔn)掌握此類填料的特性（體現(xiàn)在級(jí)配、材料組成等方面），則容易與現(xiàn)場(chǎng)原有的路基土產(chǎn)生差異，兩部分缺乏協(xié)同性，隨之出現(xiàn)不均勻沉降的問(wèn)題。從施工的角度看，若碾壓厚度偏大則容易出現(xiàn)部分土料無(wú)法被有效壓實(shí)的情況，軟弱物質(zhì)在使用中的承載能力不足，后續(xù)將出現(xiàn)沉降問(wèn)題。

（四）地表水、地下水影響

水對(duì)路基的侵蝕作用較強(qiáng)，在高填方路基施工及使用中以地表水和地下水的影響最為顯著。在水的持續(xù)性滲流作用下，容易破壞公路路基的穩(wěn)定性，例如出現(xiàn)滑塌、沉降等質(zhì)量問(wèn)題。建設(shè)現(xiàn)場(chǎng)以干燥性氣候?yàn)橹鲿r(shí)，包含膨脹土、黃土在內(nèi)的絕大部分土質(zhì)均具有較高的承載力，可以維持穩(wěn)定的狀態(tài)，非特殊情況下幾乎無(wú)路基沉降問(wèn)題；但在持續(xù)降雨的影響下或是存在其他水體的干擾時(shí)，原本處于穩(wěn)定狀態(tài)的土質(zhì)將受到影響，其逐步由固結(jié)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樗缮⑴蛎浀臓顟B(tài)，土體的承載力較前期大幅度下降，由此加大沉降的發(fā)生概率。

（五）路基體自重的原因

高填方路基結(jié)構(gòu)中，原有的地基已達(dá)到固結(jié)沉降的狀態(tài)，上部施工新填筑的材料會(huì)產(chǎn)生附加的應(yīng)力，由此誘發(fā)沉降現(xiàn)象。其中，填方路基的高度成為重要的影響因素，將在很大程度上影響附加的沉降量。若路基填筑施工缺乏均勻性（各部分的用料有所不同、壓實(shí)度不一致等），則容易顯現(xiàn)出差異沉降問(wèn)題。

（六）工后沉降

事實(shí)上，高填方路基的沉降持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。在施工期間會(huì)發(fā)生較大幅度的沉降固結(jié)現(xiàn)象，后續(xù)仍會(huì)發(fā)生一定程度的沉降，即工后沉降。若部分路基的工后沉降量偏大則不利于上部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致其出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。壓實(shí)施工環(huán)節(jié)所用裝置的自重普遍為20余t，在面對(duì)質(zhì)量要求較高的高填方路基時(shí)，該類常規(guī)設(shè)備難以有效滿足路基的密實(shí)性要求；并且，路基填料量較多，自重作用較強(qiáng)，加之行車(chē)荷載的影響，將導(dǎo)致較為明顯的工后沉降。

（七）土的壓縮性

除上述原因外，路基的沉降還與土的壓縮性有關(guān)，而土的壓力和孔隙則是影響壓縮性的關(guān)鍵因素。由此又可進(jìn)一步細(xì)致分析，即土的壓力主要取決于土的容重和填土的高度兩方面；土的孔隙率則易受到內(nèi)部顆粒粒徑、含水量的雙重影響。

五、高填方路基的加固措施

（一）填挖交接部位的壓實(shí)

適度增加強(qiáng)夯斷面的數(shù)量。對(duì)于高填方路基所存在的不均勻沉降問(wèn)題，可將填挖交界區(qū)域作為重點(diǎn)處理對(duì)象，切實(shí)加大對(duì)該處的強(qiáng)夯力度，并在路床底部組織一次強(qiáng)夯作業(yè)，每間隔8m強(qiáng)夯一遍。在外力作用下切實(shí)提高交接部位的密實(shí)度。

合理選用壓實(shí)設(shè)備。在高速公路施工中，路基填料以土石混合料為主，單一方法所帶來(lái)的強(qiáng)夯效果有限，雖然短期內(nèi)無(wú)質(zhì)量問(wèn)題，但使用時(shí)間較長(zhǎng)后易出現(xiàn)不均勻沉降。對(duì)此，宜采取落錘式強(qiáng)夯和液壓式強(qiáng)夯相結(jié)合的方案，通過(guò)多種方法的應(yīng)用有效提高路基的承載力，確保修筑成型的路基具有較高的壓實(shí)度，且各處的壓實(shí)度盡可能保持一致。

優(yōu)化壓實(shí)作業(yè)方法。例如，可采用環(huán)形壓實(shí)與液壓式碾壓相結(jié)合的方法，其對(duì)于提高斷面壓實(shí)質(zhì)量具有重要作用，可較好地規(guī)避斷面壓實(shí)度不足的問(wèn)題。

（二）以合理的方式開(kāi)挖臺(tái)階

機(jī)械破碎錘和爆破均是較為常規(guī)的方法，其在施工中容易帶來(lái)較為嚴(yán)重的破壞性影響，易導(dǎo)致適得其反的局面。對(duì)此，宜調(diào)整為靜態(tài)爆破的方式，以現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)條件為準(zhǔn)，在巖石上精準(zhǔn)布孔，在許可范圍內(nèi)加大路基和山體的搭接寬度，提高摩擦力，此時(shí)開(kāi)挖成型的臺(tái)階具有更為良好的完整性與穩(wěn)定性。

（三）加強(qiáng)排水

在填挖結(jié)合部位施工時(shí)可以敷設(shè)小導(dǎo)管（提前在導(dǎo)管上設(shè)置孔洞，并敷設(shè)適量的碎石，以起到包裹、防護(hù)的作用）。對(duì)于雨后易滲水的路段，較為適宜的是在該處設(shè)置盲溝，增強(qiáng)排水效果，有效避免該路基段的積水問(wèn)題。

六、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在高填方路基施工中，不均勻沉降的控制為重點(diǎn)內(nèi)容，切實(shí)做好此方面的工作對(duì)于保證公路的正常使用具有重要意義。鑒于路基沉降影響因素較多的特點(diǎn)，實(shí)際施工中應(yīng)探尋具體的成因，合理應(yīng)用加固技術(shù)，通過(guò)工藝的優(yōu)化及優(yōu)質(zhì)材料的應(yīng)用增強(qiáng)高填方路基的穩(wěn)定性。此外，橋涵過(guò)渡段等關(guān)鍵部位應(yīng)當(dāng)成為重點(diǎn)被考慮的對(duì)象，做好加固工作。