臨江路段半挖半填拓寬路基差異沉降及施工技術(shù)研究

鄭 凱

（中交建筑集團(tuán)有限公司 ，北京 100022）

0 引言

對(duì)臨江路段半填半挖路基來(lái)說(shuō)，評(píng)判差異沉降，施工技術(shù)要求越來(lái)越精細(xì)和復(fù)雜。對(duì)臨江路段半填半挖路基來(lái)說(shuō)，可以采用土工織物等材料，利用合成材料的抗拉性能提升整體性，減少沉陷概率。具體應(yīng)用層面主要是通過(guò)土工合成材料的抗拉及抗折強(qiáng)度抵抗實(shí)際路段造成的巨大拉應(yīng)力，將路面板進(jìn)行拉伸和彎曲，最終以結(jié)構(gòu)發(fā)生沉降或撕裂變形而結(jié)束[1]，加入土工材料可以有效地減少路基及路面結(jié)構(gòu)發(fā)生變形的情況，使兩者具有足夠的整體性，形成同步受力的板體；此外，由于整體受力性能大大增強(qiáng)，半填半挖路基先天帶來(lái)的土體壓實(shí)度的差異將會(huì)被沖平，因此，對(duì)控制路基沉降施工有顯著的提升作用。

1 工程概況

陳家棚至福港公路改建工程涉及臨江路段的拓寬路基的施工，由于K4+000-K5+000 路段部分路基寬度不足，其左側(cè)靠近軍用鐵路，右側(cè)臨江，需要向右幅填筑進(jìn)行拓寬；受到地形地貌限制，存在半填半挖路段的處理問(wèn)題。為了使路基填筑以后，不出現(xiàn)填方挖方段的差異性沉降問(wèn)題，該文針對(duì)該工程項(xiàng)目進(jìn)行剖析，并總結(jié)可以控制差異沉降的施工技術(shù)，以便指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工。

2 模型試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)臺(tái)制作

為較好地對(duì)工程標(biāo)段內(nèi)的臨江段拓寬路基進(jìn)行沉降分析，通過(guò)建立模型試驗(yàn)進(jìn)行工況實(shí)際情況的模擬。要求必須根據(jù)實(shí)際發(fā)生的路段進(jìn)行分析決策。模型試驗(yàn)首先考慮制作模型臺(tái)，進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)的砌筑，尺寸如圖1、圖2 所示。整個(gè)墻面采用水泥砂漿進(jìn)行抹面。

圖1 橫墻及基槽模型試驗(yàn)幾何尺寸

圖2 側(cè)墻模型試驗(yàn)幾何尺寸

2.2 壓力測(cè)試布點(diǎn)方式

由于需要對(duì)填挖路基進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)，因此需要特別考慮測(cè)點(diǎn)的布置情況。考慮到填挖段地基沉降存在差異，對(duì)填筑路段來(lái)說(shuō)，泥土松散，更易出現(xiàn)先前沉降。其沉降指標(biāo)更敏感，需要更多的壓力測(cè)試裝置進(jìn)行加密測(cè)試[2]。為此，對(duì)模型試驗(yàn)安置6 個(gè)壓力盒采集相關(guān)數(shù)據(jù)。布設(shè)位置如圖3 所示，靠近路基表面的壓力盒埋直接埋覆于表層壓力荷載以下15 cm 的位置；其余壓力盒所在位置分布于填挖兩側(cè)，有對(duì)比效果，以便于對(duì)后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。壓力盒以上需要以施工現(xiàn)場(chǎng)原狀路基土為回填材料，進(jìn)行5 cm 回填，然后在其上面進(jìn)行加壓試驗(yàn)。

圖3 原狀路基壓力盒埋設(shè)布點(diǎn)及尺寸要求圖

圖4 普通填筑路基試驗(yàn)段沉降值對(duì)比曲線

2.3 路基填筑料試驗(yàn)

該工程實(shí)際路基填筑過(guò)程高速公路改擴(kuò)建工程中，對(duì)拼接路堤及下路床填料的各種指標(biāo)要求嚴(yán)格，填料測(cè)試指標(biāo)須合格才可用于路基及下路床填料。該文所涉及工程的取土場(chǎng)為擾動(dòng)土土場(chǎng)。根據(jù)JTG E40—2007（T0 1115—1993）試驗(yàn)規(guī)程，采用篩分法對(duì)土樣進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。

表1 取土場(chǎng)顆粒粒徑指標(biāo)表

2.4 加載方式

真實(shí)的車輛軸載會(huì)通過(guò)反復(fù)荷載和周期荷載的特征形式予以呈現(xiàn)，并最終轉(zhuǎn)化為變形的方式對(duì)路基路面形成響應(yīng)。模型試驗(yàn)對(duì)工況進(jìn)行模擬，通過(guò)經(jīng)歷加載逐漸進(jìn)行梯級(jí)階段的加載，加載介質(zhì)為鋼板，從50000 Pa 一直加載至250 000 Pa，分5 次加載至最大值[3]。為減少數(shù)據(jù)的離散性，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，加載控制勻速進(jìn)行，并由技術(shù)員配合記錄數(shù)據(jù)和加載鋼板，二者應(yīng)同時(shí)進(jìn)行。加載過(guò)程需要梯級(jí)加載。每次加載500 Pa，通過(guò)百分表記錄變形沉降情況，對(duì)加載需要連續(xù)高效，不能中途停頓；不能出現(xiàn)忽大忽小的跳躍式加載。在加載的最后環(huán)節(jié)，需要將梯級(jí)加載進(jìn)一步細(xì)化，每次加載按200 Pa 進(jìn)行，不會(huì)突變。

2.5 試驗(yàn)段填土

在模型試驗(yàn)的過(guò)程中，需要將試驗(yàn)土進(jìn)行拌合，拌合后的土質(zhì)更符合實(shí)際工況。由于填筑段的土質(zhì)相對(duì)疏松，因此較大程度地破壞土的天然密實(shí)度，其內(nèi)部空間間隙更大，進(jìn)行加灰拌合能夠填充內(nèi)部裂隙，使土質(zhì)整體飽和度更貼近于原狀路基。為了最大限度地符合實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)路基情況，需要將含水率調(diào)整到允許范圍內(nèi)。

2.6 土工織物鋪設(shè)

土工織物對(duì)半填半挖路段的加筋效果非常明顯。在現(xiàn)場(chǎng)材料允許范圍內(nèi)加入土工合成材料，能夠直觀地解決差異沉降的質(zhì)量通病[4]。對(duì)臨江路段的半填半挖路基來(lái)說(shuō)，存在許多的干擾因素，會(huì)對(duì)實(shí)際沉降帶來(lái)較大影響。因此，在填方一側(cè)，應(yīng)當(dāng)每填筑100 mm 的土層，在壓實(shí)后就需要鋪筑一層土工織物；然后在其上繼續(xù)按100 mm 土層厚度進(jìn)行填筑施工。

3 差異沉降分析

3.1 路基土本構(gòu)模型確認(rèn)

為了清晰地表征半填半挖路基的沉降變形特性，需要從路基土體的本構(gòu)模型進(jìn)行剖析。剖析的重點(diǎn)是路基土體填方段與挖方段的差異性，從力學(xué)與數(shù)學(xué)的角度進(jìn)行刻畫。在實(shí)際的土體運(yùn)動(dòng)工況中，土體本構(gòu)模型的確認(rèn)較為復(fù)雜。該文采用Drucker-Prager 模型進(jìn)行非線性數(shù)值求解。該表達(dá)式較為準(zhǔn)確和真實(shí)地反映路基土在承載后的變化情況，對(duì)分析路基填方挖方段的差異沉降問(wèn)題較為適用。其標(biāo)準(zhǔn)表達(dá)式如公式（1）所示。

式中：F為總力值；σ為路基土主應(yīng)力，數(shù)字1、2、3 為三個(gè)方向的主應(yīng)力；I為主應(yīng)力之和；J2為第三強(qiáng)度理論下的主方向上的主應(yīng)力值；C為路基土的黏聚力；?為內(nèi)摩擦角。

假設(shè)在任何一個(gè)面的任何一點(diǎn)，一定能找到一個(gè)塑性勢(shì)面，數(shù)學(xué)描述如公式（2）所示。

在3 個(gè)方向的長(zhǎng)、寬、高的尺寸將是路基土最合適的承載狀態(tài)，在該狀態(tài)不會(huì)存在土體抬升的情況，也不存在土體沉陷的情況，能夠最大限度地保持土體完整。定義土體剛度矩陣表達(dá)式如公式（3）所示。

該式表達(dá)了彈性變形部分d{ε}e和非彈性部分d{ε}p，如果在重壓下，彈性部分可能減少，而更多的變形來(lái)自于非彈性部分d{ε}p；同理，在車軸載不足的工況下，可能產(chǎn)生路基土的軟化現(xiàn)象，整個(gè)彈性部分變形d{ε}e將被拉長(zhǎng)。

陳家棚至福港公路改建工程受到地形的限制，須向右幅填筑拓寬才能保證工程設(shè)計(jì)要求；路基土層狀態(tài)各不相同，半填半挖情況顯著。可以假設(shè)填方路段的路基土為非彈性變形部分d{ε}p；而挖方路段路基土層則可定義為彈性變形部分d{ε}e。二者共同構(gòu)成整個(gè)勢(shì)面方程，如公式（3）所示。

如果考慮土體剛度總量一定，那么填方路段d{ε}p帶來(lái)的變形越多，相應(yīng)d{ε}e帶來(lái)的變形就越小；在這樣的規(guī)律下，就能解決差異沉降問(wèn)題，加強(qiáng)填方路段的土工織物加筋處理，補(bǔ)強(qiáng)其可能產(chǎn)生的變形，尤其是該部分變形將是不可逆非線性的。

3.2 試驗(yàn)段模型試驗(yàn)加載對(duì)比

對(duì)比利用試驗(yàn)段原狀路基與摻和了土工合成材料的新填筑路基的加載沉降值，可以發(fā)現(xiàn)，原狀路基和新填路基在重力荷載不斷施加的情況下，整體趨勢(shì)保持一致。沉降值原狀路基明顯小于新填路基，當(dāng)加載達(dá)到試驗(yàn)的最大值250 000 Pa 時(shí)，原狀路基的沉降值為5.8 mm；而相同條件下的新填路基最終沉降值達(dá)到7.6 mm，與原狀路基相比多1.8 mm。這是由于整體新填路基的壓實(shí)度比原狀路基差，無(wú)論是否碾壓均勻，都可能產(chǎn)生一定的變位。新填路基加載到150000 Pa 時(shí)，會(huì)有一定程度的跳躍式上升階段，這主要是對(duì)荷載加載的突變性反映。在實(shí)際工況中，即路基結(jié)構(gòu)會(huì)在達(dá)到某個(gè)極值點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)沉陷，這種沉陷效應(yīng)會(huì)直觀地反映在結(jié)構(gòu)表層迅速向下沉降，達(dá)到肉眼可見的程度，一般為2 mm～3 mm。

3.3 加鋪土工織物對(duì)比分析

在以上的試驗(yàn)結(jié)果分析中，已經(jīng)明確新填筑路基會(huì)隨著荷載的增加開始出現(xiàn)較大幅度的沉陷運(yùn)動(dòng)。通過(guò)增加土工織物的鋪設(shè)，在半挖與半填路段加入土工合成材料，然后覆土，最終及逆行加載試驗(yàn)，對(duì)比分析結(jié)果并拉出對(duì)比曲線[5]，得到如圖5 所示加鋪土工織物的沉降值對(duì)比曲線圖。

圖5 加鋪土工織物效果對(duì)比圖

由圖5 可知，對(duì)路及結(jié)構(gòu)進(jìn)行“加筋”處理后[6]，在半填半挖路段加鋪土工合成材料后，整體路基沉降顯著下降。盡管在加載的前段過(guò)程中，但是原狀路基的沉降情況比加鋪路基要好。這是因?yàn)榧愉伮坊陨砣匀皇艿椒翘烊伙柡屯恋南拗疲w處于較為松散的狀態(tài)，承受外界的壓力，表現(xiàn)比原狀路基結(jié)構(gòu)差；隨著過(guò)程開始發(fā)生改變，壓強(qiáng)在增加的態(tài)勢(shì)下，加鋪路基中存在的土工織物開始發(fā)揮其優(yōu)越的性能，當(dāng)加載值達(dá)到150000 Pa 時(shí)，原狀路基的沉降值開始逐漸加大，而加鋪路基始終在較小的沉降范圍內(nèi)活動(dòng)，使整體的加鋪路基試驗(yàn)段保持較小的沉降值[7]。直到最終的加載力值為250000 Pa，原狀路基與加鋪路基的沉降差達(dá)到1.2 mm 左右。試驗(yàn)證明：采用土工織物的半挖半填路段的路基結(jié)構(gòu)能夠更好地適應(yīng)在較大軸載作用下的反復(fù)荷載，而不發(fā)生較大的沉降，整體沉降值最終會(huì)在5 mm 左右，符合路基設(shè)計(jì)和實(shí)際使用的要求。

4 結(jié)論

該文從陳家棚至福港公路改建工程涉及臨江路段的拓寬路基的施工實(shí)際出發(fā)，討論了如何從半填半挖路基施工中有效控制沉降值，提出通過(guò)加鋪土工織物的方式提升差異沉降。在分析中驗(yàn)證了質(zhì)量控制效果，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行試驗(yàn)段的模擬工作，通過(guò)加載試驗(yàn)對(duì)各沉降值數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，得到原狀路基與加鋪路基的沉降差異，同時(shí)對(duì)比差異沉降分析相應(yīng)的原因，提出處理方法。半填半挖施工路段對(duì)市政道路修筑中是一相對(duì)特殊的工況，在這種工況作用下，進(jìn)行模型試驗(yàn)?zāi)軌蚱鸬綌?shù)據(jù)論證的效果，對(duì)后期施工能夠指明方向和參數(shù)確認(rèn)等技術(shù)指標(biāo)要求。對(duì)市政道路來(lái)說(shuō)，特別是臨江一側(cè)的市政道路路基施工，可以起到一定的指導(dǎo)作用。