浅析高速公路路基沉降影响

郝令涛　刘赞瑄　张子明

摘要：路基的沉降控制问题已成为高速公路建设施工和既有线运营的技术难题，一旦发生不均匀沉降或沉降过大，都会给施工及运营带来巨大损失。文章首先分析了路基沉降危害及其原因，然后对路基沉降理论与计算进行了论证，并对于影响填石路基压实因素及存在问题进行了比较分析。

关键词：高速公路；路基沉降；填石路基压；软土地基；变形机理

中图分类号：U416文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）11-0182-02

随着社会和经济的发展，交通等基础设施的建设也进入了高潮期，其中高速公路的建设成就尤其突出。到目前为止，我国高速公路的里程已跃居世界第二位，但是由于我国幅员辽阔，人口众多，已有的高速公路还满足不了经济发展的需要。目前全国各地的高速公路建设还在有条不紊地进行着。随着高速公路的日益增多，许多问题相应出现，尤其是路基问题。路基的稳定和沉降是高速公路建设成败的关键，尤以沉降问题较为突出。沉降问题处理不好，施工期间易出现路堤滑塌等事故，影响施工进度和工期，给工程质量留下隐患在公路运营阶段，因不均匀沉降，路面易出现沉陷，桥头发生跳车现象，轻者影响正常使用或美观，重者会发生安全事故。本文分析了路基沉降危害及其原因，然后对于路基沉降理论与计算进行详细论证，并对于软土地基沉降预测方法技术进行比较分析。

一、路基沉降危害及原因

长期以来，在高速公路建设的实践中形成了比较成熟的地基处理设计方法与施工技术，积累了一定的经验。但是，深厚软土地基经过以稳定为目标的处理后，路基的长期变形问题依然未得到完全解决，主要是工后沉降过大，导致公路路面平整度差和桥头跳车现象严重，往往隔不了多长时间就需重修路面，造成巨大的经济损失。地基工后沉降问题的研究，对保证高速公路建设质量、正常运营以及延长公路的使用寿命具有重要的意义。为使高速公路建成通车后，确保路面的使用质量，必须重视特殊路段地基的处治，而地基沉降计算是判断路基是否需要处理的重要依据。

在高速公路地基的变形与稳定的沉降观测工作中，人们往往还要求对一些沉降异常路段作一些全面的分析，用以指导路堤填筑的施工进程，因而，对影响地基沉降的因素作一些分析就显得较为必须影响高速公路地基沉降的因素很多，其主要原因有以下几种：（1）由于填土速度过快，对路基和填土的临界高度认识不足，在接近路基填土的临界高度时没有加强路基沉降观测，导致软土地基强度接近临界状态，稍不注意，地基出现承载力不足，导致基层失稳，出现沉陷或者纵向开裂；（2）没有进行沉降观测或者沉降观测控制不严，仅依赖于沉降计算的数据进行施工控制，实际的沉降速率、沉降曲线、工后沉降的数据均没有严格的统计分析、预测，导致工后仍有很大的沉降速率和沉降量；（3）地质资料不够完善，对存在有暗沟、暗塘等影响路基长期稳定的地质结构不清楚，导致在施工期间出现路基沉降较大等问题；（4）路基填土压实控制不严，导致路基施工完成后，路基填土出现部分变形，尤其是填土高度较大的路基，由于塑性变形不断增加，导致路面出现沉陷，影响行车舒适性。

二、路基沉降理论计算分析

高速公路建设中常常会遇到大量的不良地基问题。软土地基的承载力低，压缩性强，外荷载作用下会产生较大的变形。填石路基或者土石混填路基自重大，容易引起较大沉降。而过大的沉降或沉降差会影响路面的平整度、公路线性上的平流顺畅及路面结构的稳定性。高速公路路基沉降按照其发生的机理可以分为瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降三部分。

（一）软土地基沉降变形机理

在软土地区修筑结构物，必然导致地基的下沉。通常认为饱和软土路基在荷载作用下，沉降经历三个不同阶段。瞬时沉降、固结沉降、次固结沉降，则总沉降为三者之和。其中，瞬时沉降是外部荷载加上的瞬间，饱和土中孔隙水尚来不及排出时所发生的沉降。固结沉降是荷载置于路基土上后，随着时间的延续。荷载不变而路基上中的孔隙水逐渐排出过程中所发生的沉降。它是由于外荷载引起超孔隙水压力的水力梯度促使水从土体内排出，而应力增量转移到土体骨架上而发生沉降，它与时间有关，且主要发生体积的变化。次固结沉降，当地基土中的超静孔隙水压力，在不变的外荷载作用下完全消散，主固结变形完成后，土体仍会继续出现沉降变形。瞬时沉降与加载方式和加载速率有很大的关系。需要注意的是，在上述的三部分变形分析中只是考虑了在法向力作用下的受形，特别是固结和次固结变形的分析。实际上都忽略了剪应力引起的变形。

（二）软土地基工后沉降组成分析

软土地基的工后沉降由因孔隙水压力消散而产生的主固结沉降与因土骨架蠕变产生的次固结沉降组成。软土地基沉降计算主要有以下目的，预估路堤在施工期间和工后由于地基沉降而增加的土方量，以及路堤底宽、顶宽和边坡变化情况；推算沉降量和时间的关系，作为地基加固的依据；预估工后沉降量，合理确定预压期和基层、面层施工时间。

对于沉降计算常用的方法为e～p曲线法和e～lgp曲线法。目前国内基本方程都是基于e～p压缩曲线的单向分层总和法，分层总和法是将地基分成足够薄若干层，求出每一分层的压缩量。然后将各分层的压缩量叠加起来。国内外实测资料表明对正常固结的黏性土，用分层总和法计算的沉降值一般比实测值小。而对于超固结黏性地基，计算值一般较实测值大。理论计算值与实测值的比值介于0.7～1.5之间。为了改善计算结果，必须根据实际观测资料统计分析，采用经验系数对分层总和法进行修正。修正系数的变化在一定程度上反映土体非线性特性、应力历史和侧向变形对沉降的影响。该方法的特点是简单实用，公式中各层的常规物理力学指标容易在实验室中获得，试验费用低，因此应用较广。

早在1936年，卡萨格兰德在室内固结试验e～lgp即曲线上，求得前期固结压力pc。由于地质条件的变迁，pc不一定等于现有上覆压力p0，根据pc、pc和p0大小关系分别计算处沉降公式。这种计算方法考虑了土的应力历史，实际应用中能得出比现行建筑地基基础设计规范更为切合实际的结果。但这种方法仍未考虑土的剪切变形、土的非线性特性及土层间的相互作用和影响等因素。上述两种计算方法都是以室内无侧向变形下的压缩试验为依据的，在高速公路路基沉降观测中，它们的受力状态接近于路基中心位置下地基土的受力情况及深层土的受力情况。在路肩处的地基浅层，往往有明显的侧向变形。这会使得那里的计算结果较实际沉降偏小。

三、影响填石路基压实因素及存在问题分析

填石或者土石混填路基在公路建设中经常采用，在河、塘、湖、海地区经常采用抛石挤淤或砂砾类性透水性及水稳性较好的材料填筑路基。石料由于其优良的工程力学特性，在填筑土石坝、公路路堤、铁路路基等工程建设中得到广泛的应用。土石混合料的结构特性与其材料组成，材料力学性能及各组成之间的相对位置密切相关，当组成土石混合料结构特点的各因素发生变化时，混合料的特性也发生变化。填石路基在振动压实时，其压实效果主要取决于两个因素：一是消除填石材料之间的摩擦力，使填筑材料颗粒发生相对运动，以利于填石路堤的密实度的提高；二是振动压路机在碾压过程中，对石料颗粒产生的压力和剪切应力。影响填石路基压实的主要因素有，石料的级配对填石路堤压实度的影响，压实能量对石料压密性的影响，压实厚度的影响，填筑材料的颗粒破碎对压实效果的影响，碾压速度与碾压遍数的影响，振动碾压的影响。另外，高速公路土石混填路基研究中存在的问题也值得关注，这些问题主要表现在以下几个方面，首先国内外的许多研究者主要针对填石方面的某些技术难点问题进行了一系列的研究和探讨，但是系统研究高速公路中填石或者土石混填路基问题的现有的压实过程和工作机理，只能解释部分土石路基的压实现象，还不能完全指导工程实际；从目前土石混填路基的研究现状来看，最大的难点是其最大干密度的确定；目前，土石路基施工与施工质量控制主要依靠工艺控制，人为因素较大，手段单一，寻找科学合理的施工质量控制方法是急需解决的问题；目前在施工中主要采取外观控制，沉降量观测以及施工工艺管理配合质量检测的方法进行土石混填路基的施工质量控制。压实度的检测方法来源于土质地基的压实控制，对土石混填路基的检测有其适用的局限性。

四、结语

路基的工后沉降问题的研究，对保证高速公路建设质量、正常运营以及延长公路的使用寿命具有重要的意义。为使高速公路建成通车后，确保路面的使用质量，必须重视特殊路段地基的处治，而地基沉降计算是路基是否需要处理的重要步骤。本文介绍了路基沉降及其影响，并说明了影响填石路基的压实因素很多，这些因素对的影响，是一个非常复杂的过程。深入研究填石路基压实的影响因素，将有利于其在工程中的广泛应用。

参考文献

[1]李刚．高速公路路基沉降及控制措施分析[J]．山西建筑，2008，（29）．

[2]熊健民，金生吉，余天庆．路基沉降试验研究及数值模拟[J]．华中科技大学学报（城市科学版），2008，（4）．

作者简介：郝令涛（1977－），男，山东青岛人，青岛市城阳区公路管理局工程师，研究方向：道路；刘赞瑄（1976－），男，山东青岛人，青岛市城阳区公路管理局工程师，研究方向：道路；张子明（1978－），男，青岛市城阳区公路管理局工程师，研究方向：道路。