临江路段半挖半填拓宽路基差异沉降及施工技术研究

郑 凯

（中交建筑集团有限公司 ，北京 100022）

0 引言

对临江路段半填半挖路基来说，评判差异沉降，施工技术要求越来越精细和复杂。对临江路段半填半挖路基来说，可以采用土工织物等材料，利用合成材料的抗拉性能提升整体性，减少沉陷概率。具体应用层面主要是通过土工合成材料的抗拉及抗折强度抵抗实际路段造成的巨大拉应力，将路面板进行拉伸和弯曲，最终以结构发生沉降或撕裂变形而结束[1]，加入土工材料可以有效地减少路基及路面结构发生变形的情况，使两者具有足够的整体性，形成同步受力的板体；此外，由于整体受力性能大大增强，半填半挖路基先天带来的土体压实度的差异将会被冲平，因此，对控制路基沉降施工有显著的提升作用。

1 工程概况

陈家棚至福港公路改建工程涉及临江路段的拓宽路基的施工，由于K4+000-K5+000 路段部分路基宽度不足，其左侧靠近军用铁路，右侧临江，需要向右幅填筑进行拓宽；受到地形地貌限制，存在半填半挖路段的处理问题。为了使路基填筑以后，不出现填方挖方段的差异性沉降问题，该文针对该工程项目进行剖析，并总结可以控制差异沉降的施工技术，以便指导现场实际施工。

2 模型试验

2.1 试验台制作

为较好地对工程标段内的临江段拓宽路基进行沉降分析，通过建立模型试验进行工况实际情况的模拟。要求必须根据实际发生的路段进行分析决策。模型试验首先考虑制作模型台，进行试验台的砌筑，尺寸如图1、图2 所示。整个墙面采用水泥砂浆进行抹面。

图1 横墙及基槽模型试验几何尺寸

图2 侧墙模型试验几何尺寸

2.2 压力测试布点方式

由于需要对填挖路基进行沉降监测，因此需要特别考虑测点的布置情况。考虑到填挖段地基沉降存在差异，对填筑路段来说，泥土松散，更易出现先前沉降。其沉降指标更敏感，需要更多的压力测试装置进行加密测试[2]。为此，对模型试验安置6 个压力盒采集相关数据。布设位置如图3 所示，靠近路基表面的压力盒埋直接埋覆于表层压力荷载以下15 cm 的位置；其余压力盒所在位置分布于填挖两侧，有对比效果，以便于对后续试验数据进行分析。压力盒以上需要以施工现场原状路基土为回填材料，进行5 cm 回填，然后在其上面进行加压试验。

图3 原状路基压力盒埋设布点及尺寸要求图

图4 普通填筑路基试验段沉降值对比曲线

2.3 路基填筑料试验

该工程实际路基填筑过程高速公路改扩建工程中，对拼接路堤及下路床填料的各种指标要求严格，填料测试指标须合格才可用于路基及下路床填料。该文所涉及工程的取土场为扰动土土场。根据JTG E40—2007（T0 1115—1993）试验规程，采用筛分法对土样进行分析，结果见表1。

表1 取土场颗粒粒径指标表

2.4 加载方式

真实的车辆轴载会通过反复荷载和周期荷载的特征形式予以呈现，并最终转化为变形的方式对路基路面形成响应。模型试验对工况进行模拟，通过经历加载逐渐进行梯级阶段的加载，加载介质为钢板，从50000 Pa 一直加载至250 000 Pa，分5 次加载至最大值[3]。为减少数据的离散性，在现场试验中，加载控制匀速进行，并由技术员配合记录数据和加载钢板，二者应同时进行。加载过程需要梯级加载。每次加载500 Pa，通过百分表记录变形沉降情况，对加载需要连续高效，不能中途停顿；不能出现忽大忽小的跳跃式加载。在加载的最后环节，需要将梯级加载进一步细化，每次加载按200 Pa 进行，不会突变。

2.5 试验段填土

在模型试验的过程中，需要将试验土进行拌合，拌合后的土质更符合实际工况。由于填筑段的土质相对疏松，因此较大程度地破坏土的天然密实度，其内部空间间隙更大，进行加灰拌合能够填充内部裂隙，使土质整体饱和度更贴近于原状路基。为了最大限度地符合实际现场路基情况，需要将含水率调整到允许范围内。

2.6 土工织物铺设

土工织物对半填半挖路段的加筋效果非常明显。在现场材料允许范围内加入土工合成材料，能够直观地解决差异沉降的质量通病[4]。对临江路段的半填半挖路基来说，存在许多的干扰因素，会对实际沉降带来较大影响。因此，在填方一侧，应当每填筑100 mm 的土层，在压实后就需要铺筑一层土工织物；然后在其上继续按100 mm 土层厚度进行填筑施工。

3 差异沉降分析

3.1 路基土本构模型确认

为了清晰地表征半填半挖路基的沉降变形特性，需要从路基土体的本构模型进行剖析。剖析的重点是路基土体填方段与挖方段的差异性，从力学与数学的角度进行刻画。在实际的土体运动工况中，土体本构模型的确认较为复杂。该文采用Drucker-Prager 模型进行非线性数值求解。该表达式较为准确和真实地反映路基土在承载后的变化情况，对分析路基填方挖方段的差异沉降问题较为适用。其标准表达式如公式（1）所示。

式中：F为总力值；σ为路基土主应力，数字1、2、3 为三个方向的主应力；I为主应力之和；J2为第三强度理论下的主方向上的主应力值；C为路基土的黏聚力；ϕ为内摩擦角。

假设在任何一个面的任何一点，一定能找到一个塑性势面，数学描述如公式（2）所示。

在3 个方向的长、宽、高的尺寸将是路基土最合适的承载状态，在该状态不会存在土体抬升的情况，也不存在土体沉陷的情况，能够最大限度地保持土体完整。定义土体刚度矩阵表达式如公式（3）所示。

该式表达了弹性变形部分d{ε}e和非弹性部分d{ε}p，如果在重压下，弹性部分可能减少，而更多的变形来自于非弹性部分d{ε}p；同理，在车轴载不足的工况下，可能产生路基土的软化现象，整个弹性部分变形d{ε}e将被拉长。

陈家棚至福港公路改建工程受到地形的限制，须向右幅填筑拓宽才能保证工程设计要求；路基土层状态各不相同，半填半挖情况显著。可以假设填方路段的路基土为非弹性变形部分d{ε}p；而挖方路段路基土层则可定义为弹性变形部分d{ε}e。二者共同构成整个势面方程，如公式（3）所示。

如果考虑土体刚度总量一定，那么填方路段d{ε}p带来的变形越多，相应d{ε}e带来的变形就越小；在这样的规律下，就能解决差异沉降问题，加强填方路段的土工织物加筋处理，补强其可能产生的变形，尤其是该部分变形将是不可逆非线性的。

3.2 试验段模型试验加载对比

对比利用试验段原状路基与掺和了土工合成材料的新填筑路基的加载沉降值，可以发现，原状路基和新填路基在重力荷载不断施加的情况下，整体趋势保持一致。沉降值原状路基明显小于新填路基，当加载达到试验的最大值250 000 Pa 时，原状路基的沉降值为5.8 mm；而相同条件下的新填路基最终沉降值达到7.6 mm，与原状路基相比多1.8 mm。这是由于整体新填路基的压实度比原状路基差，无论是否碾压均匀，都可能产生一定的变位。新填路基加载到150000 Pa 时，会有一定程度的跳跃式上升阶段，这主要是对荷载加载的突变性反映。在实际工况中，即路基结构会在达到某个极值点时出现沉陷，这种沉陷效应会直观地反映在结构表层迅速向下沉降，达到肉眼可见的程度，一般为2 mm～3 mm。

3.3 加铺土工织物对比分析

在以上的试验结果分析中，已经明确新填筑路基会随着荷载的增加开始出现较大幅度的沉陷运动。通过增加土工织物的铺设，在半挖与半填路段加入土工合成材料，然后覆土，最终及逆行加载试验，对比分析结果并拉出对比曲线[5]，得到如图5 所示加铺土工织物的沉降值对比曲线图。

图5 加铺土工织物效果对比图

由图5 可知，对路及结构进行“加筋”处理后[6]，在半填半挖路段加铺土工合成材料后，整体路基沉降显著下降。尽管在加载的前段过程中，但是原状路基的沉降情况比加铺路基要好。这是因为加铺路基自身仍然受到非天然饱和土的限制，整体处于较为松散的状态，承受外界的压力，表现比原状路基结构差；随着过程开始发生改变，压强在增加的态势下，加铺路基中存在的土工织物开始发挥其优越的性能，当加载值达到150000 Pa 时，原状路基的沉降值开始逐渐加大，而加铺路基始终在较小的沉降范围内活动，使整体的加铺路基试验段保持较小的沉降值[7]。直到最终的加载力值为250000 Pa，原状路基与加铺路基的沉降差达到1.2 mm 左右。试验证明：采用土工织物的半挖半填路段的路基结构能够更好地适应在较大轴载作用下的反复荷载，而不发生较大的沉降，整体沉降值最终会在5 mm 左右，符合路基设计和实际使用的要求。

4 结论

该文从陈家棚至福港公路改建工程涉及临江路段的拓宽路基的施工实际出发，讨论了如何从半填半挖路基施工中有效控制沉降值，提出通过加铺土工织物的方式提升差异沉降。在分析中验证了质量控制效果，根据现场情况进行试验段的模拟工作，通过加载试验对各沉降值数据进行采集，得到原状路基与加铺路基的沉降差异，同时对比差异沉降分析相应的原因，提出处理方法。半填半挖施工路段对市政道路修筑中是一相对特殊的工况，在这种工况作用下，进行模型试验能够起到数据论证的效果，对后期施工能够指明方向和参数确认等技术指标要求。对市政道路来说，特别是临江一侧的市政道路路基施工，可以起到一定的指导作用。