山区高速公路路基差异沉降特性与控制措施研究

晏辉

摘要 随着我国高速公路的发展，重点发展地区由东部转移至中西部多山地区。山区高速公路由于地形起伏大、地质构造复杂，路基施工完成后易出现差异性沉降。路基沉降过大会造成大量路面病害，影响高速公路服务年限。以云南某山区高速公路为调查对象，研究路基地基性质、路基填筑高度以及填料性质对差异沉降的影响，分析山区公路路基差异性沉降机理。结合工程实践，基于差异性沉降分级，提出强夯法、加铺土工格栅法以及设置分隔墙法处理公路路基差异性沉降。

关键词 公路路基;差异沉降;强夯法;压实度

中图分类号 U418.5 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）10-0095-03

0 引言

随着我国高速公路规划网的逐渐建成，高速公路建设项目由东部地区转至中西部多山地区。山区高速公路普遍出现高填深挖、半挖半填路基，造成高速公路路基稳定性不足[1]。公路路基稳定性出现的问题主要在于路基施工后产生的差异性沉降，路基的差异性沉降造成公路路面出现大量病害，降低了公路使用寿命[2]。路基内部由于土体不均匀变形，造成路基整体出现不均匀沉降，不均匀沉降增加了路面基层和面层的层底拉应力[3]。层底拉应力的增大，造成高速公路路面出现疲劳破坏、裂缝等结构性病害，严重影响路面结构的耐久性[4]。为了解决山区高速公路路基差异性沉降问题，根据高填方路基特性，研究高填方路基差异沉降的影响因素，提出高填方路基差异性沉降机理。基于差异性沉降等级，研究路基差异性沉降控制措施。

1 山区高速公路路基差异沉降机理及特性分析

公路路基的沉降主要由两方面组成，一方面是地基在路基土自重作用下产生的固结压缩变形，另一方面是路基结构本身的固结压缩变形。公路路基压实采用分层压实法，在分层压实过程中路基土承受的轮载最大，产生的土体变形最大，而地基土的压实效果不明显。当路基分层压实完成后，沉降量主要由地基土的固结压缩变形造成。对于山区高速公路路基差异性沉降而言，高填路基的沉降主要由施工期沉降与施工后沉降组成。施工期沉降是指在施工过程中由于施工器械的压实作用，从施工开始至施工结束产生的沉降。施工后沉降是指在路基施工结束后，在一段时间内，在土体自重和车辆荷载的共同作用下导致地基土出现产生沉降的过程。

1.1 工程概况

云南省某高速公路全长145.37 km，位于山岭重丘区，如表1所示，以30 km为一个公路段将整条山区高速公路进行划分。该公路路基采用高填方路基，路基高度为8 m、12 m、15 m以及20 m的超高填方路基，路堤填料分为填土路基、土石混合路堤以及填石路堤。整条公路地基状况较好，未出现大面积软弱地基，为硬质基岩地基与软质基岩地基，在路基施工时，需要对软质基岩地基进行处理。

1.2 差异性沉降机理

引起公路路基差异性沉降的因素有很多，根据云南省某高速公路概况，路基差异性沉降出现的原因主要有以下几类：

1.2.1 土体自重引起天然地基土沉降

天然地基的自身沉降在自重作用下基本完成，但是在天然地基上进行路基修筑时，会对地基整体结构造成影响，路堤填土相当于给地基增加了自重，增大了地基自重引起地基土的沉降变形。由于增加路堤土自重所引起的沉降，主要受填土土质以及填土高度影响。根据该高速公路项目可知，项目中存在大量高填筑路基，填土高度大于20 m的路段在1%左右，应该对高填方路基自重引起的差异沉降提高重视。

1.2.2 压实度不足引起的差异性沉降

路基压实度不足引起的路基沉降是高速公路中最常见的沉降，当路基压实度不足时，由于路基两侧的压实度小于路基中央的压实度，因此路基沉降的位置靠近于边坡位置。在环境因素与车辆荷载的共同作用下，硬路肩与行车道之间出现明显沉降差，造成路基沉陷和裂缝等病害。在雨水冲刷下，水沿着面层裂缝进入路面基层结构内部，当行车荷载反复作用下，造成路面结构整体断裂。

1.2.3 软土地基引起的沉降差异

山区高速公路中存在大量的软土地基，按照规范要求，进行路基施工前需要对软弱地基进行处理。但是软弱地基处理属于隐蔽工程，为了减少工程造价，有一部分施工方，选择直接在软弱土地基上进行路基修筑，未对软弱土地基进行处理。公路施工验收时，也只检测路基顶面与基层层底拉应力，在环境因素与行车荷载的反复作用下，公路路基出现路堤沉降、路面断裂以及桥头跳车等病害。该公路段通过河流处有多处软弱地基，虽然软弱地基处填土高度不高，但是需要考虑软弱土地基引起的路基差異沉降。

1.2.4 工后沉降

工后沉降是高填方路堤不可避免的。由于土体为塑性材料，在土体整体被破坏后，经过二次压实，不论压实效果有多好，施工完成后也会产生沉降。针对路基施工器械分析，压实设备的压实功也是有限的。根据路基工程施工实践结果，高填方路基在经过压实施工后，由于环境因素与行车荷载的共同作用，会导致地基出现固结压缩变形，出现不均匀沉降的现象。该公路段为典型的山区高速公路，路基类型为高填方路基，路基填筑材料为石块和土石混合材料，在路基施工过后，会出现由于自重变化所引起的地基不均匀沉降，但是对高填方路基进行沉降处治，可有效减少沉降量。

1.2.5 工期限制引起的差异性沉降

路基沉降是一个持续的过程，不可能在施工过程中达到完全沉降。路基施工时间是路基自然沉降的一个关键因素，如今高速公路的建设讲究施工效率，要求工程在短时间内完工，路基的施工基本上在10～16个月内完工，在施工时间内，高填方路基并没有达到完全沉降，沉降量只达到了65%左右。路基施工完成后，紧接着是高速公路面层与基层的施工，在进行面层与基层施工时，路基并未完全沉降，这样会造成路基施工后出现过大的差异沉降，对新铺筑的面层与基层造成严重破坏。

2 差异沉降的影响因素

影响山区高速公路路基差异性沉降的因素众多，对该公路路基的填筑高度、地基性质以及路基填料类型进行试验研究。根据该公路路基进行有限元软件建模，设置不同路堤填筑高度、不同路基材料工况，得到路基填料相同、路基填筑高度相同情况下，不同地基性质条件下，路基顶面差异沉降量，试验结果如表2所示。

2.1 地基性质对路基差异性沉降影响

当路基填料与路基填筑高度相同时，软质基岩地基的沉降量要大于硬质地基的沉降量，这是因为硬质基岩地基的弹性模量要大于软质基岩地基，硬质基岩地基抵抗变形的能力更强，由于两种地基性质的变形模量相差不大，两种地基的沉降量差异也较小。

2.2 路基填筑高度对路基差异性沉降影响

当地基性质与路基填料性质相同时，随着路基填筑高度的增加，公路路基最终沉降量逐渐增加。且通过数据对比可以发现当路基填筑高度增加时，路基沉降量增加速率较快。根据试验结果确定路基填筑高度对路基沉降量的影响较大。其中当路基高度由15 m增加至20 m时，路基沉降量增加了66.7%，表明当路基填筑高度大于15 m时，沉降量对于路基填筑高度的变化较为敏感。

2.3 路基填料类型对路基差异性沉降影响

当地基性质与路基填筑高度保持不变时，根据三种不同类型的路基填料沉降量结果，路基类型的沉降量排列顺序为填石路基>土石混填路基>填土路基，这是由于填土路基的变形模量要小于填石路堤，但是对于路基填料选择来说，填土路基虽然沉降最小，造价最高，考虑到工程经济性，通常选择土石混填材料作为路基填料。

3 路基差异性沉降处理措施

3.1 高填方路基差异沉降分级

根据规范规定，高填方路基沉降差异分级如表3所示。由表3差异沉降分级表结合该公路路基差异沉降状况，确定该公路差异沉降分级为“中”级，需要对路基进行差异沉降处理。

3.2 强夯法

强夯法是山区高速公路路基差异沉降最常用的方法，该方法夯锤选择重量为80～380 kN，在进行强夯施工时，将夯锤落距升高至6～30 m，使夯锤垂直落下对地基土进行冲击。经过多次的强夯，能够使路基土结构增加固结压缩变形，达到压缩土体的目的，增加地基土的变形模量，提升原始地基强度。在夯锤垂直落下夯击路基的施工施工过程中，具有两种固结方式。

3.2.1 动力固结

动力固结的方式适用于黏性土地基，在使用强夯法对黏性土地基进行施工时，夯锤垂直落入土中，在夯锤入土瞬间在地基土中产生巨大的冲击力，冲击力出现的同时伴随着巨大的应力波，产生的应力波将原有的地基结构破坏，造成土体压缩变形。在巨大的应力波作用下，局部的地基土发生液化现象，土体结构产生大量裂缝，土体裂缝的出现增加了土体结构的排水通道，能够使孔隙水顺利流出，将孔隙水的压力消散后发生土体固结现象。

3.2.2 动力夯实

动力夯实的方式适用于大孔隙以及大粒径的非饱和土。地基土结构内存在较多孔隙，在孔隙中存在大量气体。动力夯实作用下，产生的动应力以及冲击波会将地基土孔隙中气体瞬间排出，压缩地基土体体积，从而达到地基密实。强夯法能够将原有地基土孔隙中的气体排出，在这种作用下能够使地基土顶面变形模量变大，土质层承载力增加。

3.3 土工格栅法

由于山区高速公路地形复杂起伏较大，在使用强夯法施工时夯锤可能会导致高填方路基整体结构变化，影响地基的稳定性。采用土工格栅法能够完成新旧路基结合处沉降差异控制，土工格栅相当于增加了土体之间的内摩擦力，提高路基的强度，能够提高结构的稳定性，减少反射裂缝的发展。采用土工格栅法进行路基差异沉降处置时，具有施工简单、工期短、质量高的特点。土工格栅施工时要注意布设位置的合理性以及布设密度，土工格栅法能够实现土体应力的分散，提高路基的抗剪能力，增大结构稳定性。在高填方路基加宽施工过程中，路基拼接处应力集中现象最为严重，车辆荷载重复作用造成新旧路基拼接处出现差异沉降，路面基层层底拉应力急剧增大，出现明显的纵向裂缝，降低公路服务年限。土工格栅可以设置在层底拉应力最大的位置，如路基拼接处、路面基层，能够有效减小路基差异沉降及基层层底拉应力，避免纵向裂缝结构性病害出现。

3.4 设置分隔墙

在高填方路基改扩建工程中，设置分隔墙法能够有效减少新旧公路路基处的差异沉降。设置分隔墙法主要有以下特点：

（1）新旧路基处或地基承载力不能满足要求处设置分隔墙，能够有效控制旧路基中心的竖向沉降，防治旧路基与扩宽路基出现竖向差异性沉降，出现一高一低的现象。

（2）设置分隔墙能够有效减小新旧路基之间的沉降差，缩小沉降差值。结合工程实践，对于工后沉降原因引起的高填方路基差异沉降，分隔墙的设置能够使道路中线11.5 m半径内差异沉降减少40%左右。

（3）设置分隔墙能够控制道路横坡的变化。结合工程实践，高填方路基加宽过程中，会影响原有道路横坡坡度，使道路横坡坡度增加，降低行车安全性。设置分隔墙能够明显降低道路横坡变化幅度。

根据该公路差异性沉降等级为“中”级，且地基性质为硬质基岩地基和软质基岩地基无软弱土地基，地基变形模量较大，由此选择强夯法为该公路地基处置方式。

4 结论

综上所述，根据云南省某山区高速公路路基差异沉降调查结果，使用有限元软件建模，研究地基性质、路基填筑高度以及路基填料性质对路基差异沉降的影响，提出强夯法、土工格栅法、设置分隔墙法处置高填方路基差异沉降的措施，结合项目情况确定强夯法为该公路路基处置方法。

参考文献

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[2]赵帅磊， 李鸿哲. 山区高速公路路基差异沉降分析及其控制措施[J]. 工程建设与设计， 2019（24）： 75-76.

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[4]张永清. 山区高速公路路基差异沉降特性与控制措施研究[D]. 西安：长安大学， 2009.