公路路基沉降计算及病害控制措施分析

2023-12-28井正洋中国建筑材料工业地质勘查中心河南总队河南信阳464000

安徽建筑 2023年12期

井正洋（中国建筑材料工业地质勘查中心河南总队，河南信阳 464000）

路基作为公路工程的基础，一旦出现下沉，将导致路面应力分布不均，进而引发一系列病害。造成路基下沉的常见原因包括振动液化、抽取地下水、车辆载荷、自然沉降等。沉降计算能够从理论层面探索病害成因，并且为制定控制措施提供依据，故本文结合实际案例对其展开研究。

1 公路病害调查

某高速公路于2012 年建成通车，全长为708km，路基宽度为26m，设计行车速度为100km/h，采用双向4 车道设计规格。在2022 年6 月的路况调查中，发现 K675+580～K675+680 路段、K677+130～K677+340 路段存在较为严重的路面沉陷和开裂，最大沉降量约为30cm，裂缝长短不一，最长的裂缝为177m，最宽的裂缝为15cm。通过钻孔试验、标准贯入试验，确定了路面开裂、沉陷的主要原因是路基下沉，为了防止各类病害进一步扩大，将路基沉降控制作为治理重点。

2 不同条件下的公路路基沉降计算

2.1 沉降计算模型及参数

在沉降计算中将K675+580～K67 5+680 路段的路基作为分析对象，其宽度为26m，按照1:2 进行路堤放坡。地质调查的结果显示，路基土层结构从上到下分别为粉砂、细砂、粉质粘土、砂砾、粉砂，各层对应的厚度为1.3m、5.5m、4.5m、3.5m、11.9m，岩土物理学参数见表1。

表1 计算模型的岩土物理学参数

2.2 天然状态下的路基沉降计算

该地区抗震设防烈度为8 度，根据《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/T B02-01-2008)，当地基存在饱和砂土或者饱和粉土时，除6 度设防外，应实施振动液化判别[1]。

2.2.1 液化判断

在振动液化判断中，可运用抗液化剪应力法、地震液化初判图法进行综合判断，目的是确定是否需要考虑地基在地震作用下的液化效应。以抗液化剪应力法为例，其判别过程如下。

计算地震所引起的土层等效循环应力比（记为CSR），计算表达式为：

式中：αmax为地震作用下地面的最大加速度；σr0、σ*r0分别为上覆土层的总应力和上覆土层的有效应力；g为重力加速度；γd为应力折减系数。将砂土的抗液化强度记为CRR，则该参数的计算方法为：

式中：将修正标准贯入击数记为(N1)60，该参数表示有效上覆压力为100kPa，落锤能量比为60%。

当CRR≥CSR时，地基在地震作用下会出现液化；当CRR＜CSR时，则地基不会液化。经过多种方法的综合判断，该公路地基不存在振动液化风险。

2.2.2 路基总沉降量计算

研究过程运用分层总和法计算路基的总沉降量，计算表达式为：

式中：Si表示第i层土的压缩量；n表示土层的数量；第i 土层的厚度记为Hi；e1i代表第i层土的自重应力平均值在e-p曲线上的孔隙比；e2i代表第i层土自重应力平均值和附加应力平均值之和在e-p曲线上对应的孔隙比，其中e-p曲线是土体压缩试验得到的孔隙比与土体压力值的二维坐标关系曲线[2]。

2.2.3 计算结果示例

表2 为地基厚度与沉降量之间的关系(部分数据)，由表可知，随着地基厚度的增加，总沉降量也在增加。

表2 地基深度与最大沉降量的关系（单位：m）

2.2.4 沉降计算的结论

第一，在无载荷的自然状态下，该路基的最大沉降量约为0.256m；第二，路基沉降速度在前期较快，随着时间的延长，沉降速度逐渐下降，直至稳定；第三，路基沉降呈半椭圆形，路面中心线的沉降量最大。

2.3 车辆载荷作用下的路基沉降计算

2.3.1 计算原理分析

通常地基沉降量由瞬时沉降、次固结沉降以及主固结沉降组成。瞬时沉降发生在建设阶段，次固结沉降由基土骨架缓慢蠕变引起，该公路项目投入运营多年，可忽略瞬时沉降和蠕变作用。主固结沉降是土体的压缩变形量，与孔隙水的转移和流失存在关系[3]。车辆载荷所产生的力主要作用在路基的中上部，并且作用力垂直于路面，可近似计算出垂直应力，计算方法为：

式中：P为侧轮轴载荷；K为系数（取值为0.5）；Z为载荷中心应力作用点的深度；σZ为垂直应力的近似值。路基土体具有自重，当路基深度达到Z时，将基土自重所引起的垂直应力记为σB，则σB的计算方法为：

式中：γ为土的重度。在车辆载荷(σZ)与土体自重（σB）的双重作用下，开展土体压缩试验，得到相应的e-p曲线，再按照分层总和法计算出各层的压缩量[4]。

2.3.2 计算结果分析

根据该道路的实际运营情况，载荷引起的病害主要来自重载车辆，在计算过程中选用挂车-120 级载荷，其车轮对路基产生的垂直应力为56.818kPa，车轮与路肩的距离为2m。沉降试验和计算结果如下：

车辆载荷作为附加应力，其对路基的作用深度可达到25m，粉砂、细砂以及粉质黏土层压缩模量较小，对压缩量的贡献最大；

在车辆载荷作用下，路基最大沉降量为30.5cm，比自然条件下的最大载荷增加4.9cm；

随着时间的推移，路基沉降速度先快后慢，直至趋于平稳，具体见表3。

表3 路基沉降量与沉降时间的关系

3 路基病害控制措施及数值模拟

3.1 控制措施

由以上分析可知，该道路工程路面开裂与沉陷的主要原因为路基沉降，因而病害控制措施以防治路基沉降问题为重点。经过深入的调查，K675+580～K6 75+680 和K677+130～K677+340 路段的沉降与当地大量抽取地下水存在高度关联。因此，制定病害控制措施如下。

①对抽水活动进行监管

该地区抽取地下水用于农田灌溉，属于合理的用水需求。监管措施为控制抽水强度，避免短期内集中大量抽水。

②钢花管注浆

针对已经下沉的路基，采用钢花管注浆技术进行治理。方法是将钢花管打入路基的土体中，在压力注浆泵的作用下，将水泥浆液注入路基土体，注浆完成后割除高出地面的注浆管，水泥浆液可显著提高路基的物理学性能，进而强化路基的稳定性[5]。

3.2 数值模拟

3.2.1 建立数值模拟的模型

为了评估路基沉降治理措施的工程效果，利用FLAC 3D 6.00 软件对其开展数值模拟，建模过程如下。

①路基注浆模型

注浆过程采用两种方式，分别为钢花管注浆和普通注浆。钢花管注浆的横纵间距分别为2.0m、1.5m，普通注浆的横纵间距均为2.0m，注浆管均采用梅花形布置方式，钢花管注浆布置在外坡角，普通注浆在路堤范围内。路基宽度、路堤高度分别为26.0m、3.3m，按照1:2 进行放坡，各地质土层的厚度与路基实测情况保持一致。

②基本假设

第一，路基土体为分层结构，符合Mohr-Coulomb 准则；第二，钢花管为线性的弹性体；第三，忽略路基基土的排水固结效应。

3.2.2 模拟条件及结果

①初始状态

模拟的初始状态包括抽水活动导致的地下水水位下降和车辆载荷，水位下降设定为5.0m，车辆载荷为挂车-120级。

②模拟工况

工况是指注浆深度，增加注浆深度能够提高路基的稳定性，但也会显著增加治理成本。在模拟过程中采用三种注浆深度，分别为10m、15m以及20m。

③模拟结果

通过软件模拟不同注浆深度下的路基最大竖向位移和最大横向位移，并且对比不注浆深度对应的路基位移量，得到结果如表4 所示。路基沉降与沉降时间的模拟结果见表5。