高速公路改擴(kuò)建工程加寬路基差異沉降試驗(yàn)

陸亞紅

（華設(shè)檢測科技有限公司,江蘇 南京 210014）

0 引言

在高速公路改擴(kuò)建工程建設(shè)施工中，為避免出現(xiàn)路基差異沉降、坍塌或斷裂事故的發(fā)生，需要提前對加寬路基開展差異沉降的試驗(yàn)檢測，確保加寬路基施工質(zhì)量符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和通行要求。該文通過分析加寬路基差異沉降形成的內(nèi)在原因，對加寬高填路基差異沉降標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)定，獲取加寬路基差異沉降參數(shù)，采用加設(shè)反壓法實(shí)現(xiàn)加寬路基差異沉降的控制，更好地對加寬路基結(jié)構(gòu)均衡施工和對路基沉降控制，以期能夠?yàn)橥惞こ淌┕ぬ峁﹨⒖肌?/p>

1 高速公路加寬路基差異沉降檢測分析

按照現(xiàn)行的高速公路建設(shè)施工標(biāo)準(zhǔn)及要求，高速公路路基在改擴(kuò)建加寬過程中要嚴(yán)格控制新、舊路基間的差異范圍。一般情況下，要求公路舊路基與改擴(kuò)建加寬路基的路拱橫坡度的工后增大值不能＞0.5%[1]。如果對路基差異沉降施工不當(dāng)，會出現(xiàn)新加寬路基部分沉降值較小，但舊路基部分仍然會發(fā)生較大的沉降，從而導(dǎo)致整體路面的橫向平整度較差，甚至還會出現(xiàn)路基折點(diǎn)、反坡以及凹形等問題。

1.1 施工質(zhì)量導(dǎo)致路基差異沉降

在高速公路改擴(kuò)建工程加寬路基施工期間發(fā)生的路基沉降現(xiàn)象，應(yīng)對其沉降原因展開試驗(yàn)檢測分析。為了充分了解加寬路基的差異沉降問題，施工單位在作業(yè)時(shí)會采取有效方法，對各個(gè)流程的施工作業(yè)實(shí)行嚴(yán)格管控，切實(shí)保障施工質(zhì)量，避免發(fā)生沉降問題。

1.2 材料原因?qū)е侣坊町惓两?/h3>

在路基施工期間若是出現(xiàn)了沉降情況，應(yīng)對建設(shè)材料開展檢查，根據(jù)工程施工需求檢驗(yàn)建材質(zhì)量能夠符合標(biāo)準(zhǔn)要求，確保材料投入使用后能夠確保其性能的發(fā)揮。要對各種施工原材料及性能參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)比較，對材料的含水率、壓實(shí)度、CBR等性能水平開展檢測分析，避免因材料質(zhì)量問題而引發(fā)施工路基產(chǎn)生沉降問題。

1.3 自然原因?qū)е侣坊町惓两?/h3>

高速公路改擴(kuò)建工程施工建設(shè)中，路基穩(wěn)定性和施工現(xiàn)場地質(zhì)狀況存在較為緊密的聯(lián)系，如果是施工地基土質(zhì)具有較高的黏性，此類土質(zhì)不易出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，卻也會導(dǎo)致路基的大面積沉降；若是土質(zhì)黏性較低，則在此種環(huán)境下容易出現(xiàn)滲水問題，即使出現(xiàn)沉降，也僅僅是局部性的；如果是路基周邊水體比較豐富，路基在長時(shí)間遭受水體的沖蕩作用下，就會使土壤之間的結(jié)合性大大減弱，進(jìn)而引起地基開裂問題[2]；如果是不同氣候下溫度差相對較大，路基內(nèi)部的溫度變化會形成熱脹冷縮和不均勻問題，容易引發(fā)路基形成裂縫。路堤壓實(shí)度應(yīng)符合表1中的標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 高速公路路基壓實(shí)度要求

1.4 加寬路基施工壓實(shí)度檢測

高速公路改擴(kuò)建中的加寬路基整體強(qiáng)度回彈模量和彎沉值都要達(dá)到鋪筑路面底基層要求。但在具體的施工中，由于新、舊公路路基結(jié)合處臺階根部的壓實(shí)工作施工難度很大，施工無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。壓實(shí)度的準(zhǔn)確性很難進(jìn)行科學(xué)的測量，很多因素都會影響到它的最終測量結(jié)果，比如土質(zhì)差異、壓實(shí)遍數(shù)、水潮濕等，此時(shí)的改擴(kuò)建路基很可能已經(jīng)出現(xiàn)了形變，從而加大了路基原本的橫向不均勻沉降問題，便會導(dǎo)致路面出現(xiàn)縱向裂縫[3]。路面壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)如表2所示：

表2 壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)

2 改擴(kuò)建工程加寬路基差異沉降形成原因

高速公路改擴(kuò)建工程中，由于原有的路基在受到長久運(yùn)行及外部環(huán)境等因素影響下已經(jīng)基本處于一種穩(wěn)定狀態(tài)，原有路基的固結(jié)與次固結(jié)沉降也早已形成，在通車荷載與路基自重的長時(shí)間作用下，軟土地基中的水分早已排出完畢，土顆粒骨架間已基本無蠕變現(xiàn)象，路基結(jié)構(gòu)和性能也處于穩(wěn)定狀態(tài)。而對于改擴(kuò)建的新路基而言，其在施工階段及運(yùn)行一段時(shí)間之后都會發(fā)生一定的初始沉降（但主要還是會發(fā)生在施工階段）、固結(jié)沉降以及次固結(jié)沉降，并且固結(jié)與次固結(jié)持續(xù)時(shí)間會比較久，直至高速公路運(yùn)行一段時(shí)間后才會逐漸趨于穩(wěn)定[4]。因此，在這類因素的影響和作用下，高速公路新、舊路基會因沉降程度的不同而在拼接處產(chǎn)生一定的錯(cuò)臺現(xiàn)象，也就是差異沉降。

2.1 加寬路基差異沉降段連接縫隙問題

隨著交通荷載壓力的持續(xù)增加，沉降段路基如果無法持續(xù)完好地保持堅(jiān)固狀態(tài)，將會導(dǎo)致加寬路基出現(xiàn)大面積的變形或沉降，應(yīng)有效緩解車輛在行駛過程中對加寬路基差異所產(chǎn)生的壓力，保障高速公路的行車安全。高速公路改擴(kuò)建工程新老路基施工參數(shù)值如表3所示：

表3 新老路基參數(shù)表

2.2 加寬路基差異沉降變形勘測分析

為了全面掌握高速公路新舊路基搭接處存在的差異沉降變形情況，施工過程中需要對其開展差異沉降變形的勘測工作。為減小測算的誤差，一般利用橫剖儀對高速公路路基沉降變形進(jìn)行測量，其工作原理是將橫剖儀插入新舊路基的橫剖管內(nèi)，通過觀測橫剖儀顯示的數(shù)據(jù)判定出具體沉降數(shù)值。相較于其他路基差異沉降測量方法，橫剖儀更有利于對路基差異沉降變形的勘測，讀數(shù)更準(zhǔn)確，穩(wěn)定性也更好。在實(shí)際勘測過程中，一般來講，新舊路基拼接位置沉降量最大，約為8.5 cm；新路基邊坡位置沉降量最小，也達(dá)到了7.50 cm，而對橫剖管的開挖、埋設(shè)則需要在填筑新路基約1 m左右的位置施工。最后，在完成路基填筑施工后，路基差異沉降曲線會趨于平緩，表明沉降趨于穩(wěn)定。在對新路基的填筑施工中，橫剖儀位置的豎向沉降會迅速增長，同時(shí)與新舊路基結(jié)合處位置相近，其沉降變化最大。完成各項(xiàng)施工之后，橫剖儀埋設(shè)位置的沉降量均控制在10 cm以內(nèi)，且每天沉降速率均在5 mm以下，可以滿足規(guī)范要求。

3 加寬路基沉降試驗(yàn)檢測方法分析

針對高速公路加寬路基所存在的差異沉降檢測，一般采用小型物理模型對此進(jìn)行試驗(yàn)檢測是一種比較可行的辦法。由于在巖土工程中，常用的土工離心模型實(shí)驗(yàn)可以解決由于模型本身的重量導(dǎo)致的應(yīng)力低于原型以及模型材料具有明顯的非線性特性而無法重現(xiàn)原型特點(diǎn)的難題。通過離心模型試驗(yàn)，研究高速公路改擴(kuò)建施工中路基加寬處理施工工藝，采用有限元分析并與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。對無加筋路堤以及不同加筋工況下的拓寬路基進(jìn)行試驗(yàn)，研究各種工況下的路面沉降的具體分布情況，掌握新、舊路基差異沉降特征、路基內(nèi)部變形特征以及相應(yīng)管樁復(fù)合地基樁基的位移情況，有效提高高速公路改擴(kuò)建施工中路基的穩(wěn)定性和安全性。在對路基沉降分析中，采用分層綜合法計(jì)算新加寬部分路基的地基總沉降量[5]，以無側(cè)向變形條件下土的壓縮量公式為基礎(chǔ)，設(shè)定舊路基下的地基已趨于完全固結(jié)，參照《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD30—2004）擬定新、舊路基結(jié)合部位沉降標(biāo)準(zhǔn)為工后沉降值應(yīng)該≤10 cm[6]。

為了保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和科學(xué)性，應(yīng)該在計(jì)算過程中對各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行必要的檢驗(yàn)，保證其有效性。如果原路基固結(jié)變形仍在繼續(xù)，而地基出現(xiàn)明顯的側(cè)向變形的話，應(yīng)該根據(jù)可反映路基側(cè)向變形的二維理論進(jìn)行沉降和固結(jié)變形值的計(jì)算[7]。該文以實(shí)際高速公路拓寬部分的路堤寬度8.5 m計(jì)算，經(jīng)現(xiàn)場勘查測試分析得知，在高速公路路基填高后，其加寬路堤引起的舊路基橫坡沉降數(shù)值如表4所示。

表4 路基填高后舊路基橫坡變化數(shù)值表

3.1 水泥性能試驗(yàn)檢測分析

針對加寬路基施工中所使用的水泥（即普通硅酸鹽水泥）開展試驗(yàn)檢測分析，采用的試驗(yàn)檢測儀器設(shè)備包括電動勃氏透氣比表面積儀（DBT-127型/SN48）、微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)（WHY-300/10型/SN49）、水泥凈漿攪拌機(jī)（NJ-160A/SN33）、水泥膠砂攪拌機(jī)（JJ-5/SN34）、低溫循環(huán)水浴（TDHWY-30/SN39）、沸煮箱（FZ-31A/SNO5）、水泥膠砂振實(shí)臺（ZS-15/SNO7）、電子天平（JM-A20002/SN22）等。水泥檢測的參數(shù)指標(biāo)種類包括其密度（g/cm3）、細(xì)度（%）、比表面積（m2/kg）、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量（%）、凝結(jié)時(shí)間（min）、安定性（雷氏法）（mm）、膠砂流動度（mm）、抗折強(qiáng)度（MPa）以及抗壓強(qiáng)度（MPa）。最后，檢測的水泥樣品所檢參數(shù)都需要符合《通用硅酸鹽水泥》（GB175—2007）中所規(guī)定的普通硅酸鹽水泥P·042.5的技術(shù)指標(biāo)要求。

3.2 礦渣粉性能試驗(yàn)檢測分析

針對加寬路基施工中所使用的礦渣粉開展試驗(yàn)檢測分析，采用的試驗(yàn)檢測儀器設(shè)備包括電動勃氏透氣比表面積儀（DBT-127型/SN48）、微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)（WHY-300/10型/SN49）、水泥膠砂攪拌機(jī)（JJ-5/SN34）、低溫循環(huán)水浴（TDHWY-30/SN39）、箱式電阻爐（2.5-10/JL22）、水泥膠砂振實(shí)臺（ZS-15/SN07）、水泥膠砂流動度測定儀（NLD-3/SN11）、電子天平（JM-A20002/SN22）、分析天平（FA2004B/SN23）等。礦渣粉檢測的參數(shù)指標(biāo)種類包括其含水量（%）、密度（g/cm3）、比表面積（m2/kg）、流動度比（%）、三氧化硫（%）、燒失量（%）、活性指數(shù)（%）、氯離子（%）、堿含量（%）、游離氧化鈣（%）、安定性（mm）以及氧化鎂（%）。最后，檢測的礦渣粉樣品所檢參數(shù)都要符合《用于水泥、砂漿和混凝土中的粒化高爐礦渣粉》（GB/T18046—2017）S95的技術(shù)指標(biāo)要求。

3.3 粉煤灰性能試驗(yàn)檢測分析

針對加寬路基施工中所使用的粉煤灰開展試驗(yàn)檢測分析，采用的試驗(yàn)檢測儀器設(shè)備包括微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)（WHY-300/10型/SN49）、水泥膠砂攪拌機(jī)（JJ-5/SN34）、低溫循環(huán)水浴（TDHWY-30/SN39）、箱式電阻爐（2.5-10/JL22）、水泥膠砂振實(shí)臺（ZS-15/SN07）、水泥負(fù)壓篩析儀（FYS-150B/SN10）、水泥膠砂流動度測定儀（NLD-3/SN11）、電子天平（JM-A20002/SN22）、分析天平（FA2004B/SN23）等。粉煤灰檢測的參數(shù)指標(biāo)種類應(yīng)該包括其細(xì)度（%）、（45 μm方孔篩篩余）、比表面積（m2/kg）、燒失量（%）、需水量比（%）、三氧化硫（%）、（SiO2·Fe2O3·Al2O3）總含量（%）、含水量（%）、安定性（雷氏法）（mm）、密度（g/cm3）、游離氧化鈣（%）、氯離子（%）、堿含量（%）、強(qiáng)度活性指數(shù)（%）以及氧化鈣含量（%）。最后，檢測的粉煤灰樣品所檢參數(shù)都要符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB/T1596—2017）F類Ⅱ級的技術(shù)指標(biāo)要求。

4 結(jié)語

路基是公路工程的重要結(jié)構(gòu)，其建設(shè)施工的質(zhì)量會直接影響公路正常運(yùn)行及使用壽命。針對高速公路改擴(kuò)建工程中的加寬路基施工中，對加寬路基的差異沉降問題組織開展試驗(yàn)檢測是非常有必要的，通過對路基結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)檢測分析，準(zhǔn)確判斷路基結(jié)構(gòu)是否符合技術(shù)指標(biāo)，便于工程技術(shù)人員真實(shí)掌握加寬路基的質(zhì)量狀態(tài)及安全性能，進(jìn)一步提高對加寬路基的施工水平，保證高速公路改擴(kuò)建工程加寬路基的差異沉降值始終保持在合理范圍，確保高速公路的通行安全。