市政道路旧路拓宽差异沉降问题研究

张小莉

(井陉县公路管理站,河北 石家庄 050399)

0 引 言

差异沉降是反映建筑物地基变形特性的一个重要指标,通常是指两个相邻基础的沉降量之差[1]。差值沉降法可以用不同的沉降值来计算建筑物的倾角[2]。若差异沉降太大,则会对所对应的上部结构造成附加应力;当达到某一极限时,会产生裂缝,倾斜,甚至破坏[3]。近几年,为满足日益增加的运输需要,我国对许多市政公路进行了扩建,尽管在现有的道路拓宽工程中,已有不少的成果和成功的经验,但由于缺乏足够坚实的控制依据,难以做到全面规范管理[4]。因此,本文就市政道路旧路拓宽的差异沉降问题进行了进一步研究。根据工程概况,详细分析了市政道路旧路拓宽的差异沉降特性及影响因素,根据建立的道路模型,对沥青路面的应力场分布进行计算,并对其在使用期间不同阶段所经受的附加应力进行分析;对泊松比、模量不同时的地表沉降差异做出分析,提出具体防范策略。通过分析旧公路路基的基础差异沉降成因,计算新旧公路路基差异沉降的适用范围,对新道路路基的加固设计具有一定的参考意义。

1 工程概况

本项目名称为井元公路梅庄村至元氏界段大修工程,估算投资为9 089万元。项目建设地址在井陉县秀林镇、南王庄乡,大修路线长度20.582 km,并对三座小桥进行拆除重建。大修路线全长20.582 km,现有路基宽度不变,在原有的水泥混凝土路面上,开挖老路面后再加4 cm的细粒改性沥青混凝土,6 cm的中粒型沥青混凝土和18 cm的水泥稳定碎石。在原有的沥青混凝土路面上,对部分破损较严重的部分进行开挖,然后在原有的道路上铺设4 cm细粒状改性沥青混凝土+6 cm中粒状沥青混凝土+18 cm水泥稳定碎石+18 cm级配碎石。在经过村庄的老路开挖后,铺设4 cm的细粒改性沥青混凝土+6 cm的中粒型沥青混凝土+18 cm的水泥稳定碎石+18 cm的水泥稳定碎石+18 cm级配碎石。对梅庄桥大桥进行了4 cm的铣削,对4 cm的细粒改性沥青混凝土进行了铺砌;沿线有1～8 m小桥1座,3×6 m小桥2座,均为危桥,本次将旧桥拆除后新建,其余桥梁拉毛后铺装4 cm细粒式改性沥青混凝土+6 cm中粒式沥青混凝土。新路基指拓宽路面路基,旧路基指原有路基基础,除梅庄桥外,沿线所有桥梁增设桥梁护栏,更换4座桥梁的伸缩缝。

2 差异沉降特性及影响因素

新旧路基的变形主要包括以下三个方面:(1)地基基础受新路基加铺时产生的固结变形;(2)新地基因本身的载荷而产生的压缩变形;(3)由汽车运行引起的新地基累积变形[5]。一次外加应力与二次外加应力的相向增大,是造成旧公路边坡浅层基础差异产生的重要因素,而土层可压缩性较高是造成深层基础差异沉降的重要因素。除此之外,地基压缩模量、路基的高度、道路拓宽宽度、道路拓宽方式以及新旧地基固结程度等因素,对路基差异沉降均有着一定的影响。

新老基础的沉降与路基的填筑高度有关,最大差值沉降随着路基高度的增大而增大[6]。路基顶部的沉降曲线随着路基高度的减小呈“～”形分布,地基的最大沉降值随基础压缩模量的增加而减小;若最大沉降增加,基础压缩模量的降低速率便随之降低;拓宽路堤在扩展宽度小于8 m时,最大差异沉降发生在拓宽路堤内侧,拓宽宽度超过原有道路的一定距离时,最大差异沉降发生在道路内侧。采用双侧加宽方法可以减少新旧路基的差异沉降。

3 旧路拓宽模型建立

3.1 模型建立

本文模拟市政道路的路基拓宽,采用应力场状态和载荷技术模拟原有路基的拓宽模型和扩建路基的分步加载,最后可得到路基各点的最终沉降值。考虑市政道路旧路拓宽的新旧路基的差异沉降问题,在应用软件进行平面形变分析时,以二维平面模型为基础,以确保计算速度和精度,市政道路拓宽路基模型及监测点布置见图1。

图1 拓宽模型及监测点

在建模过程中,莫尔-库仑屈服判据的边界条件为:基坑对X,Y,Z三个方向的位移都有约束,但在基坑外侧水平位移约束及垂直自由位移约束下,路基顶部不受边界约束。差别沉降的监控计算则是以原来的地基中心作为起始的沉降监测点,同时在拓宽路基每隔2 m另取一个监测点,最终计算两者之间的差值作为差异沉降。

3.2 计算应力场分布

采用软件中的重力加载实现应力场分布计算,根据上述内容,建立全新的数值计算模型,对旧路基和基础土层进行划分,并对其进行初步的应力计算。根据工程实际对土层性质的影响进行了简化处理,各土层物理力学参数见表1。

表1 新旧路基土层参数

旧路拓宽工程的基础应力场分为三个方面,分别为:基础重力引起的重力应力场、旧路荷载下的一次外加应力场以及新路荷载的二次附加应力场。按不同竖向附加应力水平,以及受不同深度、不同性质的土层影响,其应力分布一般采用公式(1)进行计算

(1)

式中:σzi为根据不同深度的垂直应力计算出的基础沉降值,Esi为压缩模量,H为铺装高度。根据计算出的应力分布,对新路基及老路基的沉降进行判断,根据实测资料,可以为后期的沉降计算提供相应数据。

3.3 沉降计算

市政道路旧路加宽工程中,新路面加载产生了第二个附加应力场。因此,在加载过程中,应根据自身重力应力场的不同垂直应力等级,选择相应的抗压模量。每一层的压实模数按图2计算,层间厚度为1 m。

表2 压缩模量

图2 泊松比不同时的地表总沉降曲线

在计算深度时,由于土层性质、厚度和次生附加应力的不同,对地面沉降的影响也不同。土层压缩时,在地基沉降模式的基础上添加底基层、基层和面层,并利用重力作用来影响地基的压缩模量和高度,从而获得不同的差异沉降,产生附加的弯拉应力和剪应力,模型简化与假设如下所述。

(1)由于路基纵向长度足够,基层之间的接触完整,路基的尺寸长度在垂直方向上基本不变,因此可将其视为平面的变形问题来处理,不存在脱空现象。

(2)假定路堤与路基土是均匀连续的,且为各向同性的线弹性体。

(3)路基的填筑及基础土是弹性体材料,其回弹模量为20 ℃,再加一层沥青混凝土的弹性模量为1 200 MPa。

(4)由于地基是一种对称的结构形式,因此基础是对称的,基础的一侧水平,在对称的边界上对称约束。

4 模型结果对比分析

4.1 泊松比不同时地表沉降差异

在进行沉降差异计算和分析时,应对土层赋予适当的泊松比[7]。通过对实测数据的静态侧压系数计算,确定了不同层位的平均泊松比约为0.3。为更好地反映泊松比的变化对基础沉降量的影响,采用单变量泊松比法进行比较,得出了不同泊松比下的地面沉降分布曲线,如图2所示。

从图2可以看出,地面的沉降量随着泊松比的增加而降低。不同的泊松比对应的地面沉降曲线形态接近一致,表明泊松比对整体沉降量的影响较小。所采用的方法能较好地反映地面的沉陷规律,在新路荷载作用范围之外,0.3的泊松比最为合适,不在荷载作用范围之内则会产生较大误差。

4.2 模量不同时地表沉降差异

在土体受力特性分析中,一般是以弹塑性本构模式为主,而在不同的本构模式下,需要附加不同的土性参数[8]。根据现有的勘测资料可以提供压缩和直剪两种测试数据,采用Mohr-Coulomb屈服判据进行比较。

通过对该地区的应力分布进行分析,发现在靠近地面的二次附加应力较大时,其强度较高,只有新路坡脚部分有塑性区,对地面沉降的计算结果影响不大。深层软粘土的二次附加应力水平很低,不能引起塑性屈服。当泊松比为0.3时,由勘测数据所提供的土壤强度指数无法建立起地应力平衡,表明计算参数对模型具有一定的限制。另外,考虑到变形和压缩模量之间的差别,结合两种情况的在线弹性变形转换关系,在泊松比为0.3时进行比较,得出了不同模量情况下的地面总沉降曲线。

从图3可以看出,在泊松比等于0.3的情况下,变形模量和压缩模量的比率是0.6,两者之间存在很大差异,使用变形模量的计算值明显偏大。初始自重应力随深度增加而增加,一次附加应力逐渐降低,且趋于均匀,对压模量的取值影响较小;二次附加应力也会降低,且趋向均匀,从而致使差异沉降的两个因子都会消失,造成差异沉降的主要原因是浅层土壤,而深层的压入量主要影响到整体的沉降量,对差别沉降不会有显著影响。

图3 模量不同时的地表总沉降曲线

5 差异沉降控制对策

城市道路拓宽工程中,针对基础填土少、地下管线多、相邻建筑物结构复杂等特点,制定一套适应城市道路复杂情况的差异沉降控制标准,并将国内外常用的差异沉降处理方法应用于市政道路拓宽工程,处治市政道路拓宽工程中新旧路基差异沉降,控制道路拓宽后导致的建筑物沉降问题,是目前市政道路拓宽工程中的重点研究方向。由于旧路扩建工程中,需要考虑施工期间交通不中断,差异沉降控制标准较高等需求,导致旧路路面区域难以进行基础加固,地区基础压缩模量不变,无法加速施工(包括预压阶段)的沉降速度;同时,施工后(新的路基铺砌完成)该地区的软土地基仍存在着较大的沉降,这是影响老路施工质量的重要原因。要解决这个问题,必须在新道路加宽地段进行基础加固时,改变二次附加应力场的分布,以减少旧路路基(特别是软土所处深度)的二次附加应力,从而减少路基整体沉降,达到控制差别沉降的目的

本工程从软土地基沉降的基础理论出发,根据城市道路加宽工程的应力、变形特点,总结国内外软基治理的经验,并在此基础上进行创新,持续探索更多方式,力求实现环境保护与节约投资的协同。采用土工格栅、土工网、路基开挖台阶等方法,有效的平衡加宽路面附加应力水平,减少差异沉降。在土中适当设置土工格栅,最大限度地发挥其抗剪强度的同时,实现竖向应力和水平应力的显著减少;在公路拓宽工程中,利用SRP对新填筑的路基和已有路基进行整体加固,有效地改善路基承载力,减少道路堤段的不均匀沉降,从而提升路堤的稳定性能。在路基加宽工程中,使用土工格栅增大新旧路基界面,提高结合面的摩擦力和抗剪强度,确保新旧路基的整体性能。

6 结束语

结合市政道路拓宽工程的受力和变形特点对沉降变形进行分析。结合项目的具体情况,对新老路基的不同沉降特征进行详细分析并进一步探讨影响因素。在建立路面模型,对市政道路应力场分布进行计算,并对道路在使用期间不同阶段所经受的附加应力进行分析的基础上,对不同泊松比和模量条件下的地面沉降差异进行对比并提出了相应的防治对策。在未来,应坚持积累并提高地基沉降治理的经验,不断探索和创新拓宽路基差别沉降的处治方法,做到规范控制公路施工。