高速公路路基拼宽工程中路基沉降分析

2022-07-01陈雪朋

内蒙古公路与运输 2022年3期

陈雪朋

（中铁十六局集团第一工程有限公司，北京 101300）

1 引言

随着我国公路网的逐渐完善，高速公路的建设逐渐向山区及丘陵地带转移[1]，因地形条件限制，需要采用不同的路基组合方式，如高填路基、半填半挖路基和深挖路基等[2]。其中，半填半挖路基涉及土方的回填和开挖，路基结构的整体性较差，容易发生路基的纵向滑移，难以保证施工安全和工程质量，甚至影响公路正常运营和行车安全[3]。因此，解决半填半挖路基填挖段的不均匀性沉降是当前施工过程中的重点。

路基半填半挖路基的沉降问题主要发生在新填路基和填挖方段交界面。解决填方路基不均匀沉降常用的方法是台阶法加铺土工材料[5]。这种处理方法的优势在于可以提高填挖方段的接触面积，降低交界面不均匀沉降产生的风险[6]。同时，填方段采用分层填筑法加铺土工格栅可以有效增加填料的密实度及承载力，降低填方路基在外界荷载作用下发生整体沉降，影响施工质量[7]。此外，填挖方段交界面的强度和稳定性不足也会导致路基沉降的发生[8]，故在工程实际中首先会对交界面的腐质覆盖层和软化层进行清除，若交界面较陡时，可利用土工材料加强交界面[9]。

虽然台阶法加铺土工材料可以很好地处理界面处的不均匀沉降，但是由于路基所处的工程地质环境不同，故半填半挖路基施工没有形成一个统一的施工技术。为探究公路建设中半填半挖路基的沉降变化规律并找出相应的沉降控制方法，本文从项目实际情况出发，详细介绍了本项目半填半挖路基的施工准备工作和施工方法，结合沉降观测数据探究了路基沉降机理，为今后类似环境中半填半挖路基的施工提供参考。

2 工程概况

本文依托某高速公路展开研究，该路基段施工情况如图1所示。此路基的横向部分有10处交接点需要作特别处理，路基纵向断面有12处需要作回填处理，土方开挖量达到了7560m3。因此，为避免半填半挖路基在实际施工过程中填挖交界处发生不均匀沉降，影响施工安全和工程质量，需在开挖与回填的交接部分结合沉降量合理的铺设土工格栅。

图1 填挖交界处施工示意图（mm）

3 施工准备

在正式进行施工前，为了清除不适合道路填方用的杂物和耕植土，需要对施工场地进行清表处理。同时，路基土回填前应该对原地基进行碾压夯实，要求路基压实度不得低于90%。

3.1 测量放样

为控制路基的尺寸，保证施工精度，在路基施工前需对路基进行放线处理，通过全站仪对路堑开挖断面和路堤部分的坡脚进行放线，指明路基的开挖、回填范围。

3.2 路基处理

填方路堤土质属于湿陷性黄土且区域内存在地表水，在制定施工方案的过程中，结合设计图纸及现场的施工条件，决定对软基部分进行5%灰土换填，换填厚度控制在2.5m，在横纵方向均设置盲沟。具体施工内容如下：

①检测软土地带的地基承载力，对于承载力低于150kPa的部分应该进行高速液压夯实。

②对软土部分加固处理完成后，使用5%灰土进行回填，实际回填需严格按照规范要求进行分层回填。每层的回填厚度控制在25cm 以内，压实度控制在95%以上，使用压路机与人工配合的方式进行找平碾压处理，然后开始回填下一层5%灰土，直至土基回填厚度达到2.5m。

③换填施工完成后，为了将路基下渗水流排出路基范围以外，减小路基的水损害，加强路基的稳定性，在路基主体上进行盲沟布设，并完成其他排水设施的施工。

3.3 填挖交接处理

原地面的坡面陡且有植被覆盖，若对地表处理不当，容易出现路基塌陷或是开裂等现象。因此，先将坡面植被、松土清理干净，然后严格从坡面纵向开挖，开挖应该形成台阶状，台阶的宽度应该结合实际情况设定。挖方路基部分在路槽下路床超挖150cm 结合槽后回填，横向填挖交界路段超挖长度为横向挖方长度，纵向填挖交界超挖长度为10m。填方路基部分，当地面坡度陡于1：5时，地表开挖反向台阶，内倾4%，台阶宽度2m。

4 施工方法

4.1 基底处理

在坡面清表完成以后，对基底进行处理时，应该在横纵向的开挖交接处设置倾斜台阶，台阶宽度应该控制在2m 左右，台阶高度控制在1m 以内。若地基存在地下水或是地面水时，应该开挖排水沟疏散积水。具体如图2所示。

图2 路基施工示意图（mm）

4.2 横向半填半挖

横向半填半挖路基区域土质属于湿陷性黄土，施工方法为开挖至地下150cm 以下，采用5%灰土进行回填，待填方区填至结合槽底部标高后，与挖方路堤同步填筑上路堤，待填筑路床底面时铺设第一层土工格栅，再分层填筑下路床，在下路床顶面铺设第二层土工格栅，最后铺筑上路床。

4.3 纵向半填半挖

纵向填挖交界处的路基，应该在挖方路面底部进行超挖作业，超挖的长度不得低于10m，超挖的厚度为1.5m，回填料采用5%灰土。待填方区填至结合槽底部标高后，与挖方路堤同步填筑上路堤，待填筑路床底面时铺设第一层土工格栅，再分层填筑下路床，在下路床顶面铺设第二层土工格栅，最后铺筑上路床。

半填半挖路基施工过程中易出现不均匀沉降现象，因此铺设土工格栅可以有效避免路基出现沉降。借助土工格栅对回填料所产生的侧向约束力，从而对路基顶面形成上部支撑力，形成一个复合体，可以有效避免路基顶部出现沉降。虽然土壤会产生竖向剪力，但是土工格栅的加筋作用会使竖向剪力降低，不但会降低路基不均匀沉降出现的可能性，同时还可以加强路基结构的稳定性。

在实际施工过程中，土工格栅的施工质量会在很大程度上影响到路基的整体质量，所以在实际施工过程中必须要严格按照规范标准进行施工，详细如下：

①坡面整平：土工格栅施工之前，应该先对施工场地进行平整，将凹凸不平处进行填补，坡面局部的平整度差异不得超过10cm。

②铺土工格网：土工格栅应该沿着超挖面进行铺设；参照设计要求对格栅的长度进行截取，将格栅深入至台阶2m 以内；格栅的纵向作用力应该与受力方向保持一致；土工格栅的纵向不得设置接头缝，假若无法避开，则搭接的长度不应超过30cm，再使用铁丝进行加固处理；土工格网的铺设必须平整，不得出现扭曲。

③连接、固定格栅：格栅的尾部应该先进行加固，然后将格栅铺设至填方路段，将土工格栅拉直，格栅的伸长率应该控制在2%～4%之间；格栅横向接缝应该使用塑料带进行绑扎，绑扎的间距应该控制在1m左右；已完成铺设的土工格栅应该使用铆钉进行加固，铆钉加固的间距控制在1.5m～2.0m，保证格栅与地面紧密连接。

④回填土料：当土工格栅铺设完成以后，应该及时回填土方予以覆盖，避免土工格栅出现老化，且应该合理选择回填土的粒径，土方回填应该从土工格栅的两侧进行，未回填土方的区域严禁车辆形驶，避免碾压土工格栅，造成格栅损坏。

⑤回填料找平：回填料可以借助压路机进行找平，局部机械设备无法作业的区域可以借助人工进行找平，找平的平整度高差不得超过5cm。

⑥回填料碾压：回填料应该采用分层碾压，碾压过程从两侧开始进行作业，不得出现反向碾压或是横向碾压，碾压完成后立即进行压实度检验，确保压实度符合设计要求。

4.4 沉降及位移观测

在路基表面清理完成且碾压作业完成以后，应该严格设置路基的横断面沉降观测桩与位移观测桩。在土方回填之前，应该测量并记录桩位的原始数据。回填过程中应该对观测桩进行加固保护，每层回填完成以后记录沉降、位移的变化，将之与原始数据进行对比分析，分析导致差异出现的原因。

4.4.1 沉降机理分析

半填半挖式路堤出现沉降的位置往往发生在填方路段，而挖方路段基本上不会出现沉降现象，所以本文主要是对填方路段的沉降规律进行研究分析。结合工程实际情况，土体在受到外部作用力后会发生变形，土体颗粒会向稳定区域移动。而非饱和土的三相组成主要是由液态水、固体颗粒、气体共同组成[10]，非饱和土在受到外部作用力后，土体内的空气首先被压缩排出，之后是液态水被挤压出土层，在这种情况下，土体发生变形的速度非常快。随着土体内的水被逐渐排出，固体骨架与水体之间产生的摩擦力会不断增大，促使土体缝隙内的水体与气体受到外部作用力而无法顺利排除。所以，土体的应力波动与变形状况应该是时间函数，土体展现出来的特征应该是具备弹性、粘性的塑体[11]。根据土体形变的具体过程，本文将其波动阶段大致细分为以下几个阶段：

①弹性变形阶段。回填土回填过程中，需要进行摊铺、洒水、碾压，在这个过程中土体会不断被压缩。当回填土的厚度不断增加时，下层土会因上层土被压缩而受到荷载，开始出现弹性压缩形变现象，在这种情况下，固体骨架与水体之间产生的摩擦力会不断增大，该阶段内的土层变形主要与回填土的厚度、压缩程度存在关联性。

②不均匀变形阶段。土体在发生变形的过程中，从土体的横剖面中可以看出，因回填材料的均匀性程度不高，且侧向不存在约束力，土层受到的应力主要是自身的自重作用力，进而导致边坡部位的应力降低。由于堤内应力处于集中状态，出现剪切变形的可能性增大，最终形成不均匀变形。此类现象往往出现在施工后期阶段。

③蠕变阶段。假若土层的外界应力稳定，土层应变随加载时间的增加持续增长的现象属于蠕变现象。蠕变过程中土层会出现弹性形变或是塑性形变，在这种情况下，土体蠕变的情况则会倾向于复杂化，各层回填土在施加荷载以后，出现的综合沉降量就是施工阶段的沉降量，该部分沉降应该在施工过程中完成。假若施工已经完成，回填土的荷载及路面荷载造成的蠕变现象产生的沉降量则应为施工后期的沉降量。该部分沉降量应该是在施加荷载以后完成的，因此蠕变现象并非一定是在项目竣工后出现。回填路堤采用分层填筑法进行施工，单层施工的时间存在一定的差异性，故在每层施工的间隙时间内也会出现蠕变现象。该时间段内的蠕变主要是由土体颗粒的自重应力分散造成的，因此，在分层回填的过程中，施工间隙时间内产生的应力会被分布至下一个施工工序中，同时蠕变也会重新进行分配。结合实际施工情况，回填的时间间隙较短，大部分的路堤基本上都在短期内完成沉降，所以在对施工过程中的沉降进行计算时，往往不需要考虑蠕变影响，只需要分析瞬时沉降造成的影响。回填路堤的挖方路段因山体承受的荷载减小，在挖方路段必然会出现土体体积膨胀，进而导致路基出现压缩变形现象。

4.4.2 观测方法及数据分析

结合实际施工情况，采用沉降观测的方式对半填半挖路段的沉降过程进行持续跟踪，妥善处理沉降差异问题。土方开挖、回填交界段出现裂缝的原因主要是由路面产生的沉降差异导致的，加大对土方开挖、回填交界部位产生的沉降差异检测力度，分析沉降差异过大的主要原因，结合实际提出科学合理的优化措施。同时，通过观测沉降差异可以在第一时间内获得路基施工阶段的沉降波动规律，总结出施工工艺、回填土种类对路基沉降造成的影响，便于施工人员及时调整施工工艺，为后续类似工程项目提供一定的参考。

路基沉降观测常用的设备主要包括沉降板、沉降管和其他专业观测设备。沉降板使用钢板加工制作而成，其设计尺寸为：500mm×500mm×10mm，沉降管的规格为φ20镀锌钢管，沉降板外观如图3所示。

图3 沉降板示意图

施工人员在实际观测的过程中，沉降管的外侧需要加装PVC管，管顶部位使用钢板作覆盖处理，确保沉降管不会受到损坏。在观察期间，将沉降管加固在管顶，以保证持续观测。专业观测设备应该具备测微设备，可以实现二等水准测量的标准。沉降板应该放置在相同的断面中，两根沉降管的差异应该与路堤实际沉降差异保持一致，具体情况可以参照图4。

图4 非均匀沉降观测示意图

分别在距半填半挖界面处2/5、3/5 和4/5 处利用沉降板进行观测，观测结果如图5所示。回填方的高度存在一定的差异，导致路堤的沉降量也略有不同。当回填土方的填土厚度增加时，其所对应的沉降量也会随之增大。结合回填土的高度曲线可以了解到，回填土的左幅高度为9m、13m部位的回填高度是保持一致的，但是沉降板下部的回填土高度存在较大的差异，原因是回填土左幅13m部位的沉降板下侧回填厚度比较大，这一点可以通过沉降曲线得出。由此可以发现，在相同部位，沉降量与下侧的回填土厚度存在紧密的关联性；左幅17m 部位的沉降板上侧回填土的厚度大概为8.5m，这是导致其沉降量差异过大的主要原因。

图5 沉降/填土高度随时间变化图

路基沉降差异会受到回填土厚度的影响，此外，还会受到路堤边坡变形的影响，假若边坡侧向变形比较严重，这也会导致路基附加沉降量过大。路基左幅17m部位与路基边缘距离较近，所对应的侧限力较小，参照土力学的基本原理可以发现，若竖向应力相同的情况下，侧限应力变小，剪切力则会变大，所以会导致竖向变形出现；反之，当路堤沿线的水平应力变小以后，其所对应的剪切变形也会随之变小，从而水平变形引发的沉降量也不会太大。