新旧路基不均匀沉降分析与控制技术研究

2021-04-03杨文超李果

中国设备工程 2021年22期

杨文超，李果

（中建海峡建设发展有限公司，福建福州 350000）

1 前言

随着社会经济发展速度不断加快，高速公路工程建设面积进一步扩大，实际施工期间遇到的新旧路基不均匀沉降问题更为突出。从根本上降低扩建路基沉降不均匀问题发生概率，还要结合工程具体建设要求，分析导致新旧路基不均匀沉降的机理，积极引进更先进的不均匀沉降控制技术，切实延长全生命周期。

2 新旧公路不均匀沉降分析与控制工作的重要意义

当前公路工程交通量呈现出逐年递增的发展态势。早期公路建设受技术与经济等因素限制，建设规模较小，无法满足现阶段城市化建设要求，导致公路自身具有的便捷、高速的服务优势难以充分发挥出来。由此可见，对原有道路进行扩建与加宽处理已经成为现有公路建设行业重要任务之一。

公路扩建工程需要涉及路基拓宽工作，但在新旧路基连接过程中，经常会出现开裂与滑移等现象，引发不均匀沉降病害问题。由于国内在路基拓宽等方面的实践经验较少，相应的设计方式与计算理论不够成熟，导致部分拓宽工程的建设效果不理想，通车后不久就会出现纵向开裂情况。

为确保公路工程路基扩建工作高质高效开展，需要注重研究新旧路基结构衔接关键技术，分析导致新旧路基不均匀沉降问题的机理，制定出专项可行的不均匀沉降解决方案，为以后类似加宽改造工程提供更加科学的设计与施工依据。

3 新旧路基不均匀沉降病害机理

3.1 新旧路基常见病害问题

在新旧路基衔接过程中，由于路基结构材质不一致，施工时间存在较大差异，极易引发下列几种沉降病害。

（1）扩建路基失稳。在新旧路基衔接施工期间，衔接处滑动问题较为常见，如没有对此问题进行及时处理，会引发整体坍塌等更严重的安全事故。此种病害问题多发生在地基土质较为软弱、高填方路堤结构、坡势较陡地带等。滑动问题也会引发路面结构纵向裂缝，雨水渗入到裂缝中，路基结构整体性与稳定性将严重下降。

（2）路面破损。在新旧路基不均匀沉降的情况下，也会导致路面破损情况出现，严重影响路面结构全生命周期。不同材质路面破损情况存在一定差异。具体而言，水泥路面常见情况为脱空，进而引发板块断裂情况。沥青路面的结合料松散，横坡拼接处将出现或面层破碎情况。

（3）边坡病害问题。如拓宽后的路基结构沉降不均，也会因自然水渗入而导致边坡结构出现浅层滑坡、侵蚀剥落等病害问题，对公路工程后期运营期间的稳定性及长效性造成严重不利影响。

3.2 新旧路基不均匀沉降机理

导致新旧路基平稳度不足的机理主要是由于地基里含有软弱下卧层，土体流动性大、压缩性强，在衔接部位强度施工水平未达标的情况下，会使衔接处到软弱层底面发生滑动情况，导致稳定性下降；在地基结构坡面坡度较大的情况下，填筑期间会出现坡度不一致问题。为从根本上提高路堤结构稳定性能，还需要额外增加加筋挡土墙或者重力挡土墙。

新旧路基结合处强度不足，也会使不均匀沉降问题出现。由于新旧路基衔接工作专业性强、流程繁琐，常会因人为问题施工质量下降。例如，施工人员施工经验较少，台阶开挖时出现超挖情况，导致后续施工成本增加，路基结构强度下降。在排水设施布置不当的情况下，也会引发地下水下渗情况，使路基结构出现渗水或滞水问题，影响路基结构稳定性。

3.3 新旧路基不协调变形病害机理

新旧路基结构不协调变形问题主要就是在行车荷载作用下产生的路基结构压缩变形情况、新旧路基自身固结变形产生的竖向位移差等。新路基荷载效果产生地基固结沉降问题多发生在地质条件较差的路段，由于附加应力持续增长，导致软弱地基中的超孔隙水压力进一步加大，新旧路基加宽部分会因行车时间的延长而出现不协调变形情况。

由于新旧路基自身存在压缩变形问题主要是在填石路堤衔接状态不佳、黏土填料过节时间较长等情况下发生。由于旧路基在行车荷载与自重作用下的压缩变形结束，新路基随后产生较大压缩变形情况，使路面结构沉降不均，随后引发开裂问题。

4 新旧路基不均匀沉降影响因素

为切实找出能够引发新旧路基不均匀沉降问题的影响因素，本文使用有限元计算方式，对拓宽路基差异沉降数值进行计算。在新旧路基衔接过程中，新路基在旧路基上的填筑会对旧路基产生新的作用力，使旧路基发生再次沉降。

在公路工程路基拓宽沉降计算过程中，需要重点关注最大沉降差值随时间变化而出现的变化规律。由于施工现场土体结构物理性质、施工技术存在较大差异，最大差异沉降预估值的误差会达到10%～20%。在最大差值计算过程中，也会使用反分析方式，结合工程中测量信息，拟和部分参数推照经验公式，用公式计算出沉降随时间变化而发生的沉降量。

在有限元计算过程中，可以通过有限元软件，对新旧路基结构荷载力、应力以及边界条件进行模拟分析，并计算出更精准的路基差异沉降值。通过分析有限元路基结构模型，发现导致新旧路基不均匀沉降问题的影响因素主要包括以下几种：

（1）在路基结构单侧加宽的情况下，等量宽度增加量对路基沉降趋势的影响先增大而后又逐步减小。在拓宽宽度较小的情况下，路基顶面沉降最大位置会位于新路肩最边缘方向。随着单边加宽值增大，沉降最大值的位置出现变化，即向路心逐步靠拢；

（2）在路基填土高度较小的情况下，拼接路面顶端的总体沉降曲线会呈现出波浪形特征。因填土高度小、新路基对老路基的影响也会较小，沉降曲线前段将较为平缓。在旧路基坡脚线与新路基路肩之间的距离较大时，旧路边坡填筑高度发生改变，会使沉降值增大；

（3）在旧路基压缩模量为定值时，新路基及压缩模量的增加会导致最大差异沉降值呈现出递减的态势。如新路基压缩模量较小，在新路基结构自重作用下，也会引发再次沉降情况。

5 新旧路基不均匀沉降控制技术

5.1 新旧路基常见处治要点

在新旧路基结构地质条件较差、拓宽路基为高填路堤结构的情况下，天然路基强度、稳定性无法长期运营要求，需要对新旧路基结合处进行新旧处理。在路基拓宽技术选择过程中，应做好前期勘察拓宽结构地质情况，分析道路性质与实际施工条件等工作，制定出专项可行的处治，确保新旧路基不均匀沉降问题能够被及时发现与处理。

具体来说，拓宽路基常见处理技术为换填法、抛石挤於法、排水固结法等。由于新旧路基不均匀沉降问题主要是由于填料及压缩度差异较大导致，可以选择与旧路基相同的填料填筑，要求此填料具备级配性好、透水性好等特征。

为从根本上提高新旧路基衔接水平，还需要合理提高路基压实度，严格遵循现行公路路基设计规范要求，计算出适宜的压实参数，从根本上保障新旧路基衔接效果。

5.2 不同新旧路基不均匀沉降处理

在轻质路基结构不均匀沉降问题处理过程中，可以首先构建二维模型，计算出新路基与旧路基结构的摩擦系数。通过对比分析采用轻质路堤与未采用轻质路基结构的沉降差值，发现轻质路基结构的使用可以最大限度减小沉降差值。

在使用台阶开挖拼接技术过程中，需要结合工程新旧路基扩建具体要求，选择适宜的台阶开挖形式。如标准式台阶主要就是在旧路基结构削坡后，通过边坡确定台阶的高度与宽度，具有开挖便捷优势，但实际高度与宽度数值往往无法同时满足设计要求；内倾式台阶主要就是在标准台阶基础上，在台阶水平面布设内倾角，可以切实满足新旧路基衔接填筑要求。

由于引发新旧路基不均匀沉降问题的因素较多，在选择沉降控制技术过程中，还应当将多技术结合在一起，细化实际控制方案内容，降低不均匀沉降问题发生概率。