高速公路路基差异沉降特性与控制措施分析

杨 龙 飞

(山西省交通建设工程监理有限责任公司，山西 太原 030012)

1 路基差异沉降特性

1.1 差异沉降机理

一般情况下，高速公路加宽主要采用两侧对称的方法进行设计和施工，但是由于新路往往晚于旧路几年甚至几十年施工，此时旧路已基本完成固结沉降与次固结沉降作用，地基基本趋于稳定，而加宽部分在施工完成后必然需要经过漫长的固结与次固结沉降作用，并且会延伸至运营期内，进而导致路基发生差异性沉降。此外，基于新旧路基自身差异的分析，新路基在附加荷载作用下会于二者间产生一定的差异附加应力，从而造成新旧路基产生新的差异沉降，此类情况对高速公路影响严重，如若未及时采取措施或措施不当，则会使新旧路基因差异沉降过大而于拼缝处出现开裂甚至拉裂旧路路基的病害。

1.2 差异沉降特征

1.2.1竖向位移

高速公路旧路加宽之前，原有路基沉降特征主要表现为边缘小、中间大，换言之便是道路中线处竖向位移大于边缘部位，该特征与加宽路基沉降分布规律表现一致。而当旧路加宽之后，原有路基沉降特征表现为边缘逐渐增大，并且于新建路基某一深度处形成最大值，然后又呈逐渐减小趋势，将该特征通过绘图表示后，会发现其呈现为钟形。

1.2.2水平位移

对于水平位移的分析，旧路加宽之前原有路基最大水平位移出现在路基下方，而道路中线处路基则基本没有水平变化，但在实施旧路加宽之后，新建路基则会出现最大值的水平位移，并且呈现为靠近新旧路基拼缝逐渐减小，远离新旧路基拼缝逐渐增大。

1.2.3竖向应力

路基加宽过程中，路基顶面则会出现竖向应力的最大值，并且随着地基深度的增加，该竖向应力向下呈逐渐减少趋势；而当竖向应力最大值不断增加时，其位置便会移动至新建路基中心。

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1.2.4剪应力

对比可知，路基加宽前后位于路基坡脚的最大剪应力会出现增大趋势，该现象的出现主要是因滑坡与坍塌所造成，因此实施路基边坡加固，确保边坡稳定，可有效抑制新旧路基差异沉降的出现。

2 路基差异沉降原因

2.1 填方压实度不足

基于高速公路使用性能与自身特性的分析，路基施工大部分为高填方形式，对压实效果要求较高，压实度控制严格，同时也是造成路基沉降的主要影响因素，主要表现为压实度不足或压实不均匀，致使高填方路基因不均匀沉降过大而出现差异沉降，该现象在山区高速公路表现最为明显。受地形条件的限制，山区高速公路路基施工难以使用大型压实机具，对于路基压实只能依靠于小型机具甚至人工夯实(如与结构物连接部位)的方式，致使高填路基因整体压实度不足而出现较大沉降；另外，路基填料粒径差异较大(如土石混合料存在较大石块)，同样也是造成压实不均匀的主要因素。对于结构物附近路基的压实，基于结构自身稳定性与强度的考虑，一般会以换填的方式取代必要的补强措施，以此形成刚柔过渡段，但同时也因压实度难以控制而形成薄弱环节，最终为路基不均匀沉降埋下隐患。

2.2 地基中存在软弱土层

软弱土层主要包括松散状态的砂土层、流塑与软塑状态的黏性土层以及未经处理的填土层，其力学性能表现较差(以高压缩性最为明显)，在一定厚度条件下，受附加应力的作用，极易出现固结、次固结沉降和侧向塑性挤出现象，从而引发较为明显的沉降变形。一般来说，软弱土层的沉降受其自身层厚、填土高度以及宽度的影响，层厚越大、填土越高且越宽，路基沉降量与差异沉降就越明显。

对于地基过量沉降与差异沉降的产生，其主要是由地基因地下水和地表水排泄困难而难以固结所造成，此时地基如若处理不当，稳定性表现较差，特别是对高填方路基，上部荷载的增加极易使地基发生过量沉降，并最终表现为沉降差异和沉降不均匀。

2.3 填料成分不均匀

一般情况下，高速公路路基填筑通常是直接使用路堑开挖土或隧道掘进弃土，其成分与级配差异较大且不稳定，实际控制难度较大。在此情况下：

1)填筑层厚如若过大，便很难压实软弱物质与小颗粒物质，在荷载长期作用下，填料会因不协调沉降变形而产生差异沉降，该现象在刚性路面表现为局部沉降或开裂，在柔性路面则表现为局部沉降；

2)受回填料(特别是具有膨胀特征的回填料)性质差异的影响，若路基排水系统局部失效，地表水的浸入会使路面因胀起而对行车舒适性造成影响，严重时导致路面破坏。

3 路基差异沉降控制措施

3.1 强夯法

强夯法一般是将重量为100 kN～400 kN的夯锤以6 m～40 m的落距以自由落体形式对地基进行冲击与振动，通过加密、固结与预加变形的共同作用，以此达到压缩土体，提升地基强度的目的。夯锤自由下落过程中，通过重力势能向动能的转化，落地瞬间部分动能以声波形式扩散于四周，部分通过夯锤与地面的摩擦而转化为热能，剩余大部分则对土体产生振动作用，迫使其内部气体排出，使土体重新实施定向排列。利用强夯法加固路基，其过程一般认为经历4个阶段：

1)夯能转化，同时强制振密或压缩土体；

2)土体液化或结构破坏，以其抗剪强度降低或丧失为表现；

3)排水固结，以土体渗透性能改变、裂隙发展和强度提升为表现；

4)触变恢复且伴随固结压密，土体强度继续提升，部分自由水转化为薄膜水。

在极短时间内(几十毫秒至一百毫秒)，强夯通过对路基土体巨大冲击力量的施加，使冲击能转化为各种冲击波传递至土体内部，而依据于其在土中传播与作用特性，这种冲击波可分为面波与体波两种形式。面波从夯击点沿地表向四周传播，对土体无加固作用，且竖向分量会使表层土松动，传播过程中相比于体波随传播距离的增加衰减幅度较慢；体波主要分为横波与纵波，其以夯击点为中心沿半球阵面传播于路基深处，使路基土体因剪切和压缩作用而压密固结。

由此可见，强夯主要是借助于夯锤对路基土体的冲击作用促使土体动力反应的形成来达到加固效果，由于路基土为非弹性体，故而一定范围内的土体在经动力作用后会因其工程性质的改变而实现加固。

3.2 土工格栅法

对于高速公路新旧路基结合处沉降差异的控制，土工格栅的应用可使新旧路基因土体内摩擦角的增大而形成一个整体性承重板体，以此提升路基刚度与承载能力，从而抑制反射裂缝的产生。土工格栅综合效益的表现，不仅可以缩短施工周期、提升施工质量，同时还可降低施工成本、延长公路使用寿命。

一般情况下，路基基底沉降所产生的应力变化在路基拼接处最为明显，而路床及路面则会产生最大拉应力。基于路面纵向裂缝与横向错台的控制，路基拼接处土工格栅可设置于路床或基底两部分。

3.3 设置分隔墙

新旧路基间分隔墙的设置，其作用为：

1)抑制旧路中心上抬，避免与加宽部分出现“错台”；

2)有效改善新旧路基竖向沉降。实践表明，对于地表附加沉降，分隔墙的设置可使道路中线及其两边15 m范围内减少大约50%，加宽部分减少大约20%；

3)降低加宽施工对原有道路横坡的改变。调查现实，加宽路基施工过程中，当未设置分隔墙时，其可改变原有道路横坡1.0%左右，设置分隔墙后则会降至0.4%，应用效果表现明显。

4 结语

本文对于高速公路路基差异沉降特性以旧路加宽为重点实施了相关论述，以通用技术进行了差异原因与控制措施分析，内容涉及虽不全面，但在一定范围内具有实际指导意义。