基于土體孔隙介質(zhì)的高速公路拓寬新路基沉降分析

湯 軻

（廣西路建工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

目前，國家針對高速公路的發(fā)展?fàn)顩r，已經(jīng)從過去不斷新建高速公路轉(zhuǎn)變?yōu)楦臄U(kuò)建項(xiàng)目與新建項(xiàng)目并存的建設(shè)局面，甚至把發(fā)展重點(diǎn)從新建高速公路轉(zhuǎn)移到高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目[1-2]。在高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目落實(shí)過程中，部分施工環(huán)節(jié)隱藏著許多對工程建設(shè)不利的因素，例如工程監(jiān)管不到位，施工人員偷工減料、素質(zhì)參差不齊，高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目管理相關(guān)法律建設(shè)滯后、管理體制不健全等，造成高速公路項(xiàng)目質(zhì)量低劣[3]。此外，改擴(kuò)建項(xiàng)目施工結(jié)束后，公路新舊路基之間的固結(jié)程度存在很大的差異，隨著使用時(shí)間的推移，在交通荷載的作用下，新舊路基之間將產(chǎn)生很大的沉降差異，而沉降差異過大將導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)開裂塌陷，嚴(yán)重影響高速公路的通行安全和使用壽命，并且大大增加了公路維護(hù)費(fèi)用[4]。

那良隧道單側(cè)原位擴(kuò)建項(xiàng)目位于廣西河池市大化瑤族自治縣羌扜鄉(xiāng)那良村西南側(cè)約400 m，屬剝蝕低山地貌，地形起伏較大。隧道進(jìn)出口端主要由粉質(zhì)黏土、碎石、全～強(qiáng)風(fēng)化砂巖及強(qiáng)風(fēng)化碎裂狀砂巖組成，巖質(zhì)較軟，結(jié)構(gòu)面發(fā)育，薄夾中厚層狀構(gòu)造，巖體較破碎；洞身段主要為中風(fēng)化砂巖及碎裂狀砂巖，巖質(zhì)較軟，裂隙很發(fā)育，多呈閉合-微張開狀態(tài)，力學(xué)強(qiáng)度較低，抗風(fēng)化能力低，工程地質(zhì)穩(wěn)定性一般。在該地基上修筑的高速公路極易出現(xiàn)路面沉降問題，這將嚴(yán)重影響公路的通行效率，降低公路運(yùn)營商的服務(wù)水平。因此，對該地區(qū)不同土層地質(zhì)的公路路基進(jìn)行研究，分析路基沉降差異性，對保證高速公路穩(wěn)定性具有重要意義。

本文結(jié)合那良隧道單側(cè)原位擴(kuò)建專項(xiàng)施工方案，從路基變形機(jī)理入手，引入孔隙介質(zhì)理論，充分考慮初始地應(yīng)力對路基材料變形模量的影響及路基材料變形過程中變形模量隨之發(fā)生變化的特征，借助孔隙介質(zhì)理論分析高速公路拓寬新舊路基沉降差異，根據(jù)沉降值修改施工方案，最大限度地延長高速公路路基壽命，確保高速公路路基質(zhì)量，進(jìn)而保證高速公路的通行安全。

1 那良隧道單側(cè)原位擴(kuò)建工程防水層土質(zhì)分析

1.1 地質(zhì)環(huán)境

1.2 土體層次結(jié)構(gòu)分析

以該區(qū)域防水層施工為主要研究對象，分析其沉降差異。該區(qū)域路基可分為淤泥質(zhì)粉土地基土、粉土地基土、亞砂地基土，具有明顯的土體層次結(jié)構(gòu)。其中，淤泥質(zhì)粉土地基土屬于軟土，表層厚度為2.40～3.50 m，其塑性指數(shù)為5.0；粉土地基土不屬于軟土，表層厚度為0.80～3.40 m，其塑性指數(shù)為3.3；亞砂地基土不屬于軟土，表層厚度為0.80～2.30 m，其塑性指數(shù)為4.0。在此基礎(chǔ)上，在區(qū)域內(nèi)排水采用初期支護(hù)和巖面間設(shè)置環(huán)向50 mm的排水半管將水流引至墻角，并與墻角縱向100 mm的高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，HDPE）雙壁打孔波紋管排水管連通，橫向100 mm的HDPE雙壁打孔波紋管將縱向排水管與中心水溝連通，最終將水流通過中心排水管排出洞外。

圖1 縱向及環(huán)向排水盲管設(shè)計(jì)圖

2 孔隙介質(zhì)理論與模型

孔隙介質(zhì)理論一般是指應(yīng)力、變形場和孔隙介質(zhì)中多相滲流場之間的相互作用，該理論涉及許多確定的或不確定的因素，因此必須通過模型化的方法對不同因素之間的耦合效應(yīng)進(jìn)行“機(jī)理”性分析[5]。在實(shí)際情況下，變形模量會(huì)隨埋深的不同而異，這主要是由不同埋深的初始地應(yīng)力不同導(dǎo)致的，而忽視初始地應(yīng)力對變形模量的影響會(huì)降低沉降分析時(shí)的精確度，為此本文引入孔隙介質(zhì)理論解決這一問題。考慮土顆粒骨架和空隙組成的孔隙介質(zhì)體是高速公路地基土體的一種理論表現(xiàn)形式[6]，高速公路地基土體作為一種孔隙介質(zhì)體，也可以根據(jù)這一原理，構(gòu)建土體孔隙介質(zhì)模型。為此，將土體的表現(xiàn)應(yīng)力設(shè)為σ，土空隙即可視為孔隙，設(shè)土孔隙率為n，土顆粒骨架應(yīng)力設(shè)為σs，則：

由公式（1）可知，土體的表現(xiàn)應(yīng)力σ與土顆粒骨架應(yīng)力σs之間的關(guān)系，所以在一維條件下，可以將高速公路路基看成一個(gè)（x、y、z）坐標(biāo)軸，那么孔隙率n在（x、y、z）坐標(biāo)軸方向的作用力下會(huì)產(chǎn)生孔隙率n′，則：

將公式（2）帶入，可以得到x、y、z方向的土體表觀體積應(yīng)變?chǔ)舩和土顆粒骨架實(shí)際應(yīng)變?chǔ)舩s之間的關(guān)系，則：

為了建立完整的土體孔隙介質(zhì)模型，應(yīng)研究土體表觀體積應(yīng)變與土顆粒骨架實(shí)際體積應(yīng)變之間的關(guān)系，為此設(shè)土體積為V，土體表觀體積應(yīng)變?yōu)棣臯，土顆粒骨架實(shí)際體積應(yīng)變?yōu)棣臯s，變形前后土體孔隙率由n變化為n′，則：

將公式（4）式帶入公式（3），可得到x、y、z方向土體表觀體積應(yīng)變與土顆粒骨架實(shí)際體積應(yīng)變之間的關(guān)系，則：

將公式（3）和公式（5）聯(lián)立，根據(jù)彈性力學(xué)理論計(jì)算，則：

公式（6）即土體孔隙介質(zhì)模型。

鎳是能夠滿足循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念的金屬之一。不銹鋼或鎳?yán)碚撋蟻碚f都是百分之百不會(huì)降解并且可回收的，廢不銹鋼和廢鎳不會(huì)因?yàn)榛厥斩鴮?dǎo)致品質(zhì)下降，回收回爐后的鎳金屬也可以作為非常好的原材料再次使用。據(jù)了解，在全球很多國家和地區(qū)，82%的鎳金屬都可實(shí)現(xiàn)回收再利用。現(xiàn)階段全球每年的鎳開采量在190萬 t，而全球的鎳使用量約為2 500萬 t。地表鎳儲(chǔ)藏量大概有1億 t，加上次表層可以開采的鎳約有2億 t，共計(jì)3億 t。不難看出，這樣高的鎳回收利用率以及豐富的資源儲(chǔ)量，完全可以滿足所有國家工業(yè)的高度發(fā)展需要和對鎳的增量需求，達(dá)到可持續(xù)發(fā)展的要求。

3 高速公路拓寬新路基沉降計(jì)算及分析

3.1 沉降差異計(jì)算

根據(jù)上述構(gòu)建的土體孔隙介質(zhì)模型，選用直徑d=50 mm的平底圓形壓頭，選取6個(gè)測點(diǎn)，該路基其他物理性質(zhì)參數(shù)為路基材料最大干密度為2.043 g/cm3，路基材料顆粒密度為2.689 g/cm3，交通荷載等級為M=10，針對表1中3種不同地段的路基基土土層，根據(jù)公式（6）的土體孔隙介質(zhì)模型，可以得到這3個(gè)地段的高速公路新舊路基下基土的物理力學(xué)指標(biāo)。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，分別分析路基基土孔隙率差異、路基基土黏聚力差異，以此判斷高速公路拓寬新舊路基沉降差異。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 路基基土孔隙率差異分析

由表1可知，在淤泥質(zhì)粉土地基土中，舊路基基土的孔隙率較新路基基土孔隙率小28.9%，在修建高速公路之前，路面的基土孔隙率為1.42；在粉土地基土中，舊路基基土的孔隙率較新路基基土孔隙率小18.7%，路面的基土孔隙率為0.701。在淤泥質(zhì)粉土和粉土地基土中，新高速公路孔隙率都比未修建高速公路之前低；在亞砂地基土中，舊路基基土的孔隙率較新路基基土孔隙率大19.1%，路面的基土孔隙率為0.770，相較修路前，舊路路基基土的孔隙率低，新路基基土孔隙率高。因此，高速公路新舊路基基土孔隙率差異與土層地質(zhì)有很大關(guān)系[7-8]，不同的土層地質(zhì)建立的高速公路路基孔隙率會(huì)發(fā)生不同的變化。

3.2.2 路基基土黏聚力差異分析

由表1可知，在淤泥質(zhì)粉土地基土中，舊路基基土的黏聚力較新路基基土黏聚力大20.6%，在修建高速公路之前，黏聚力為6.76；在粉土地基土中，舊路基基土的黏聚力較新路基基土黏聚力大32.5%，在修建高速公路之前，黏聚力為4.806；在淤泥質(zhì)粉土和粉土地基土中，新高速公路黏聚力比未修建高速公路之前高；在亞砂地基土中，舊路基基土的黏聚力較新路基基土黏聚力大32.1%，在修建高速公路之前，黏聚力為4.875，不管是新路路基基土還是舊路路基基土的黏聚力都比未修建高速公路之前高。因此，高速公路新舊路基基土黏聚力差異與土層地質(zhì)沒有關(guān)系。

4 防水層路基沉降縫施工方案

當(dāng)前，高速公路的舊路基經(jīng)過長時(shí)間的荷載，其固結(jié)程度會(huì)與新路基存在較大差異，因此高速公路在改擴(kuò)建過程中，必須對路基進(jìn)行加固，防止出現(xiàn)路面開裂、起伏、塌方等災(zāi)害。所以，在明暗交接處及各級圍巖變換處沉降縫，施工縫設(shè)膨脹止水條，沉降縫設(shè)瀝青木絲板夾GPZ-A3型橡膠止水帶。橡膠止水帶和止水條設(shè)于二襯厚度一半的位置，橡膠止水帶施工時(shí)用細(xì)格鐵絲、二襯內(nèi)部專埋鋼筋先固定一半，另一半則折疊在端頭處，施工相鄰另一模混凝土?xí)r將其鑿出、拉直，用同樣的方法固定另一半，沉降縫處還需設(shè)浸瀝青木板；止水條則在二襯端頭厚度一半處通過預(yù)埋泡沫等物件的方法刻槽，拆模后立即修順預(yù)留槽，在下一模混凝土將澆筑時(shí)釘上止水條。施工示意圖如圖2所示。

圖2 沉降縫設(shè)計(jì)圖

圖2中橡膠止水帶安設(shè)工藝過程如下。

（1）將背貼式止水帶與防水板焊接之后，立模，沿襯砌設(shè)計(jì)軸線在擋頭板上每隔40 cm鉆12 mm的圓孔。

待模筑混凝土凝固后拆除擋頭板，將止水帶靠中心鋼筋拉直，然后彎曲10 mm的鋼筋卡套上止水帶，模筑下一環(huán)混凝土。在綁扎鋼筋和支模時(shí)，止水帶必須采取可靠的固定措施，避免在澆筑混凝土?xí)r發(fā)生沉降。

5 結(jié)語

從總體上看，由于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，原高速公路已不能滿足當(dāng)前發(fā)展需要，所以必須對其采取相應(yīng)的改擴(kuò)建措施。在高速公路改擴(kuò)建過程中，新舊路基的沉降差異會(huì)引起高速公路病害，因此本文提出基于孔隙介質(zhì)理論的高速公路拓寬新路基沉降分析，但是，本文只分析了高速公路改擴(kuò)建新舊路基基土的沉降差異，而路基的沉降還受到路基填土壓實(shí)度等因素的影響，為此必須不斷深入研究高速公路改擴(kuò)建新舊路基差異，預(yù)防高速公路病害。