高速公路路基沉降及施工控制技术

2022-07-21刘莉

工程建设与设计 2022年12期

刘莉

（郑州路桥建设投资集团有限公司，郑州 450000）

1 引言

路基施工过程中产生的沉降是影响公路建设质量的关键因素，沉降过大极易造成路桥过渡段出现较大台阶、填挖处不均匀沉降以及桥头跳车现象。为此，施工单位在路基修筑过程中需要充分把控沉降量，对导致沉降的原因进行深入分析，并依据沉降监测数据采取合理的措施防治，为后续工序奠定基础，避免通车时出现严重的路面病害。

2 影响路基沉降的因素

2.1 路基干湿状态

路基干湿状态极易受到天气、季节的影响，路基填料的含水量随地表水和地下水产生动态变化，造成路基土层的有效应力重组，继而导致路基沉降。路基填料含水量过高是造成路基不均匀沉降的重要因素，当含水量超过一定范围后，路基填筑材料的稳定性、强度都会急剧衰减，从而削弱路基结构的承载力和抗剪性能，导致路基沉降量过大，甚至路面断裂、塌陷。

2.2 路堤填料

路基施工中采用的填料通常为路线附近的可用材料或者沿线挖方土体，因此，若不同路段的填料种类及配合比等物理力学性质差异性较大，会产生不均匀沉降。如果现场的路基填料的级配较差，且分层填筑厚度较大，则极易造成填料颗粒难以达到紧密状态，在后续动静荷载循环作用下，就会发生路基不均匀沉降；除此之外，填料中存在软土、膨胀性土时，由于局部渗透系数较小，路基会出现局部排水受阻，继而出现路基局部沉陷等病害[1]。

2.3 压实度

若路基填筑材料的压实度没有达到技术要求，存在欠压实情况，则在外界附加荷载作用下，填筑材料内部的应力状态就会急剧改变，造成路基不均匀沉降及路面破坏。

2.4 侧向变形

若路基填筑过程中缺少侧向约束或者边界约束不足，会使路基内部应力分布差异性过大，导致路基边坡两侧的应力消散极快，出现严重的剪切破坏变形，继而导致路基不均匀沉降。

3 沉降监测内容及方法

路基沉降监测的内容包括：路基填筑阶段坡脚地表水平位移、地表沉降及隆起；路基填筑基底沉降速率、沉降量；路基表面沉降量。其中，对于路基表面的沉降监测，主要采用水准仪和沉降板进行；对路基顶部的沉降监测，可用于控制路基整体性能，为后续施工时间及沉降趋势提供规划和判断依据，采用设备为水准仪和沉降桩；地表沉降监测的对象是路基外侧土体，监测内容主要为地表垂直位移、水平位移，采用设备为位移观测桩和全站仪，对地表水平、垂直位移的监测有助于控制施工沉降。沉降监测阶段，技术人员需要保证现场测定数据的可靠性与准确性，当沉降监测数据超过一定上限时，要及时分析沉降超标原因，进行上报，并采取针对性解决措施[2]。

4 公路路基沉降施工控制分析

4.1 工程概况

河南省内某高速公路设计路线区域具备4 种地貌结构，即古河道高地、条形砂垄、洼地、黄河泛流平原，地层结构为第四系冲击细砂层，上部土层为低液限性黏土，工程性质较差，成分主要为软土、松散细砂、河道淤泥。公路设计沿线地形起伏程度较小、整体较为平整开阔，地下水水位较高，沿线地下水较为丰富，因此，该路段高速公路路基极易产生沉降变形。高速公路项目路基施工计划周期为36 个月，设计路线全长达120 km，双向四车道，设计等级为公路I 级，路基设计宽度为28 m，设计车速为120 km/m。

本文将K15+660~K16+760 段作为施工试验路段，该试验段全长1 100 m，填土高8~10 m，路基两侧边坡以1∶1.5 的坡度放坡处理，填料为现场黏土；现场路基填筑设备为平地机1 台、挖掘机2 台、振动压路机1 台、运输车辆若干、羊足碾1 台。试验段不良地质地形条件极易引发较大路基沉降变形，因此，开展沉降监测极其必要。

4.2 观测断面方案

4.2.1 断面布置

沉降观测工作主要为路基总沉降观测，项目针对试验段桥涵台背、软土地基、经过地基处理路段进行沉降监测断面布置。其布置原则为：沉降观测点需要布置在大、中型桥梁结构处，一般布置在桥头引道，距离搭板2 m 处；涵洞也需要设置沉降观测点，一般设置在涵洞背部，其中，沉降板的布置需要考虑涵洞与线路的交角，在地质情况相差不大且涵洞之间距离较近时，可以统一布置沉降观测点；在涵洞基础处理位置、一般路段、桥头路基处理位置、桥头30 m 至其余处理位置过渡接头处，也需要布置沉降观测点，其布置位置为离开接头15 m以外，以便对不同处理方案进行沉降差异性分析。在一些测点密度较大、地质情况类似的位置，则可以统一布置测点；在一些工程地质分界线十分明显的区域，需要在分界线两侧15 m位置处分别布置沉降观测点[3]。

4.2.2 试验断面沉降分析

选取K15+700 断面开展沉降分析，该断面土质主要为低液限性黏土，层厚3 m，沉降观测时间为2020 年2 月~2021 年6 月，至结束时间点，沉降板测定填土高度为10 m，沉降量、填土高度与时间之间的关系及沉降速率、填土速率和时间之间的关系如图1 所示。由沉降观测数据可知，路基填土前两个月的沉降速率较大，此时主要是刚开始路基填筑施工，地基在荷载作用下产生沉降较大，也不排除断面沉降观测数据偏差；随着填筑时间的延长，沉降速率趋向于稳定，填筑施工完成第6月时，填土速率控制较为稳定，此时沉降速率、沉降量有了较大的波动，主要归因于路基填筑过程中遇见降雨季节，且填料自身有较弱的膨胀性，导致路基出现沉降扩增的态势。

图1 沉降、填土和时间关系图

在路基填筑阶段，沉降速率需要控制在10 mm/d，一旦沉降速率超过该数值，需要立即停止路基填筑工作。试验段断面附近的填筑需要缓慢进行，避免路基出现裂缝及失稳情况；当路基填筑施工完成后连续2 个月的路基沉降速率小于5 mm/月时，可以判定路基稳定性程度较高，此时路基材料和地基都已经固结完成。

4.3 桩网复合地基施工

4.3.1 施工方案

针对试验段较大的路基沉降量及沉降速率，本项目考虑在全线黏土层较厚区域填方段采用桩网复合地基技术进行地基处理，并结合使用粉喷桩结构，在粉喷桩桩顶加铺碎石层和土工格栅。其中，路基底部加铺的土工格栅、碎石垫层的厚度为0.5 m，宽度为43 m，粉喷桩布置形式为等边三角形，边长为1.5 m，桩径为0.5 m，桩长10 m。

4.3.2 现场设备

桩网复合地基处理中采用的钻机具备反转匀速提升、正向匀速钻进特性，钻机钻头直径为0.5 m；分体发送器需要根据钻机的提升速度、转速、钻头类型将材料传递至地下；空气压缩机的选择需要依据现场地基处理加固深度及工程地质条件；机械设备搅拌灰土混合料时，需要选择合适的搅拌钻头，且钻头结构不能对钻机提升反转造成影响；现场计量装置则主要用于粉体（生石灰粉、干NCS 固化剂）输入量均匀性、连续性的监测，粉体输入量的计算需要根据喷入水泥量进行。

4.3.3 施工工艺

首先，需要对路基施工场地进行平整处理，按照设计高程进行场地推平处理，为后续铺网及打桩提供必要基础；桩孔定位需要在实地桩位处标记；桩机就位，钻头调平对中，对加粉（生石灰粉、干NCS 固化剂）、钻径进行检查记录；粉喷桩施工，启动空气压缩机实现送风效果，控制钻头设计深度时采取喷粉处理，需要钻机一边提升一边开展搅拌工作；桩体施工结束之后，需要进行土工格栅的铺设，第二层格网需要在首层填土填筑压实后进行；路基上层填筑采取分层分段原则进行。施工过程中需要保持钻头在设计深度处滞留一段时间，以确保粉料能够达到桩底。打桩阶段，需要现场对桩体质量进行逐根检查，对于质量缺陷明显的桩体结构，需要补桩处理。

4.3.4 施工效果分析

经过桩网复合地基处理后，对全线布置的沉降监测点进行数据分析，填筑期地表测点沉降量数据见表1，沉降速率变化见表2。根据统计结果，全线沉降点测定的沉降量数据偏小；4~8 月前80%以上的测点沉降量小于10 cm；约14%的测点沉降大于10 cm；约12%的测点的沉降量在10~20 cm。表2 数据表明，5 月份沉降在3~5 mm/月的测点数量随着时间的不断延长而增加，表明经过地基处理后，路基沉降逐渐趋于稳定，且符合技术标准。