高速公路路基沉降观测及预测方法

黄 侃

(江苏省交通科学研究院股份有限公司)

1 工程概况

沪宁高速公路是江苏省建成通车的第一条高速公路,自1996年建成通车后,沪宁高速公路江苏段的交通量快速上升,原有双向四车道已不能满足日益增长的交通量的需求,部分路段的通行能力已经饱和,道路服务水平明显降低,扩建已是势在必行。

扩建工程主线全长248.216km,按八车道高速公路标准建设,全封闭,全立交,计算行车速度为 120km/h。扩建工程从 2003年 5月试验段开始,2003年 11月全面开工建设,2005年 6月底,沪宁高速公路南幅四车道基本完成路面的施工,2005年 12月底全线八车道建成通车。

2 沉降观测的目的和意义

扩建高速公路路基由于新老路基修筑历史、不同地基处理方式、填料和压实度的差异,新老路基顶面将产生横向不均匀沉降变形。这种不均匀变形将会导致路面结构产生附加应力,一旦这种附加应力超过路面材料本身的容许强度,路面便会产生结构性破坏。

通过观测施工过程中地基变形和稳定性的变化和发展,监视地基动态变化,探讨地基稳定性及变形的规律,检验设计地基的加固和预压效果。这些研究工作不仅能为填筑计划的制定和执行提供定量的参考数据,保证填筑过程中路堤的安全;同时,沉降速率、最终沉降和工后沉降等的预测也是正确客观地评价软基处理方案和运营期路基稳定性等的重要依据。

监测的目的主要有:通过对沿线各观测断面的填土过程进行安全监测,发现可能发生危险的先兆,判断工程的安全性,并建议采取必要的工程措施,防止工程破坏事故的发生;以现场监测的结果指导施工,确定和优化施工方案,进行信息化施工,达到安全快速填筑的目的;检验工程勘察地质资料的可靠性,验证设计理论和设计参数;积累高速公路的施工经验,以便今后类似工程的施工。

3 沉降观测点的布设

3.1 沉降观测点的布置原则

(1)为保证数据的可对比性,设置断面应尽可能考虑和原来老路设置的中央分隔带观测点在同一个断面进行;为了保证与施工期观测数据的连续性,工后观测断面与扩建工程施工期的观测断面保持一致。

(2)依据施工期的沉降观测成果以及桥梁等结构物的重要程度,工后沉降观测在路基两侧路肩适当增设观测点。

(3)考虑到路基北侧施工较南侧晚,路基固结时间相对较短,部分桥头断面在北侧路肩适当增设沉降观测点。

(4)不同地基处理方法过渡路段根据施工期的沉降特点适当增设观测断面。

(5)针对高填方、粉煤灰填方、不处理地基、填挖交界带、深搅桩处理地基、老路沉降不稳定地段以及长度较短的管桩处理地段等几种情况,并综合工程地质条件,根据地质情况和老路沉降资料,在一些关键的特殊路段适当增设观测断面。

3.2 沉降观测断面

工后沉降观测断面的位置及其观点的位置和数量主要根据我院施工期的沉降观测大纲确定,并在 2004年 5月 ～2006年 6月实测数据的基础上进行了优化。由于路基施工期未在北幅设置沉降观测点,因此本次工后沉降观测在北幅部分桥头也设置了观测点,以掌握扩建后北幅路基的沉降变形规律。

4 沉降观测成果分析

4.1 现场路况调查

在监控路基沉降情况的同时,对运营期的路面状况也进行了现场调查,沪宁高速公路扩建工程交工近 3年,局部路段曾经出现横向裂缝、路面坑洼、雨后积水等现象,主要的病害统计如下。

(1)横向裂缝。

沪宁高速公路苏州段、无锡段局部路面曾出现横向裂缝。苏州段出现的裂缝已经过灌入沥青材料加以封闭处理,无锡锡澄运河北桥头段已经过沥青加铺处理。

(2)雨后路面积水。

此类病害曾经出现在南京段 K263+730～K264+000, K265+150～K265+200,K268+500～K268+550这三个路段,在雨后出现过轻微的路面积水现象,目前路面已基本无明显的积水现象。

4.2 沉降量情况

(1)新路沉降情况。

①为了对全线新路的总体沉降进行评价,采用各观测时间段内全线新路的总平均沉降量(通过前后 2次观测,得到1个时间段的沉降量的全线平均值)作为描述指标。从中可以看出:扩建工程路基施工期间,全线新路的平均沉降量较大,2005年 1月进入路面施工期后,平均沉降量明显减小,运营期内的平均沉降量更小,截止到 2008年 3月,新路基全线平均的累计沉降量为2.58cm。

由实测的成果曲线反算地基固结系数或推算最终沉降量的方法较多,常用的有双曲线法、沉降速率法、三点法等。这些方法经试用均有优缺点,关键是应用时需凭一定的经验和技巧。根据本次工后沉降的观测成果,经过试用发现三点法拟合程度较好,比较接近实际情况。因此,本次采用三点法对沉降稍大的观测点进行工后沉降推算。

三点法的功能是:从沉降时间关系曲线上,取最大恒载时段内间隔相等的三点的沉降和时间数据,反算固结系数,预测任意时刻的沉降和最终沉降。

从沉降—时间关系曲线上,取最大恒载时间段内的三点S1、S2、S3,且t3-t2=t2-t1。根据固结计算的通式Ut=1-αe-βT可导得

根据公式(1)、(2)计算S∞、β,并根据公式(3)求α

根据公式(3)也可以计算任意时间的沉降。

②新路基拼接路基处治后,针对全线所有测点,通过分析其实测沉降量(截止到 2008年 3月),采用三点法对最终沉降量进行预测。预测结果显示,预测新路最终沉降量最大处位于K225+160(左),预测最终沉降量为9.16cm,其余观测点的预测最终沉降量均小于 K225+160(左),故满足“所有观测点的累计沉降量均小于 15cm”的控制标准;预测新路工后沉降量最大处位于K30+918(左),预测工后沉降量为2.69cm,其余观测点的预测工后沉降量均小于K30+918 (左),故满足“工后沉降量均小于5cm”的控制标准。

(2)老路沉降情况。

①为了对全线老路的总体沉降进行评价,采用全线老路的总平均沉降量作为描述指标。从中可以看出:扩建工程路基施工期间,全线老路的平均沉降量较大,进入路面施工期后,平均沉降量明显减小,运营期内的沉降普遍较小,沉降曲线呈现出明显的收敛变化规律。截止到 2008年 3月,老路全线平均的累计沉降量为1.23cm。

②对于全线设置在老路基上的测点,通过用三点法进行工后沉降预测可以看出,全线大部分观测点的工后预测总沉降量满足“原路中心附加沉降小于 3cm”的控制标准,仅有三个观测点(K33+555中、K33+602中、K33+620中)的工后预测总沉降量分别为3.37cm、3.71cm、3.50cm,稍大于原路中心附加沉降小于3cm的控制标准,但均小于4cm。

(3)路拱横坡度情况。

结合沉降观测数据,对全线观测断面的路拱横坡度进行统计,找出同一横断面上左、中测点差异沉降最大的 12个典型断面,计算了路基施工期、路面施工期、运营期以及最终预测的横坡度变化情况。

对全线原有路基与拓宽路基的路拱横坡度的变化情况进行统计,工后增加值均小于 0.5%。新路路肩与老路中分带的差异沉降很小,断面的横坡比降差极小,完全符合“沪宁高速公路扩建工程的沉降控制标准”。

5 结 论

(1)全线新老路的沉降大部分发生在路基施工阶段,进入路面施工后,沉降普遍减小,运营期内除个别点外,绝大部分测点的沉降趋于稳定。通过对个别沉降稍大的测点进行三点法预测:预测新路最终沉降量最大处位于 K225+160 (左),预测最终沉降量为 9.16cm,其余观测点的预测最终沉降量均小于K225+160(左),故满足“所有观测点的累计沉降量均小于 15cm”的控制标准;预测新路工后沉降量最大处位于K30+918(左),预测工后沉降量为2.69cm,其余观测点的预测工后沉降量均小于 K30+918(左),故满足“工后沉降量均小于 5cm”的控制标准。全线原有路基与拓宽路基的路拱横坡度工后增加值均小于 0.5%,新路路肩与老路中分带的差异沉降很小,断面的横坡比降差极小。

(2)沪宁高速公路扩建工程工期紧、施工进度快,从施工期和运营期的观测数据和预测结果来看,沪宁高速公路新老路基的整体稳定性目前总体良好,后续的沉降观测工作对评价路基的稳定性仍有必要。

(3)长期的沉降观测工作能够确保新老路基在运营期间的稳定性,也为以后高速公路改扩建以及软基处理方案的设计积累经验,提供依据。

[1] 江苏省高速公路扩建工程技术标准.南京:沪宁高速公路扩建工程指挥部,2003.

[2] 沪宁高速公路(江苏段)扩建工程运营期沉降观测与分析总报告.江苏省交通科学研究院,2008.

[3] 傅珍,王选仓.高速公路扩建方式比较.大连理工大学出版社, 2006.

[4] 陈星光.高速公路扩建工程差异沉降控制技术研究.长安大学,2006.