新舊路基不均勻沉降分析與控制技術(shù)研究

楊文超，李果

（中建海峽建設(shè)發(fā)展有限公司，福建 福州 350000）

1 前言

隨著社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度不斷加快，高速公路工程建設(shè)面積進(jìn)一步擴(kuò)大，實(shí)際施工期間遇到的新舊路基不均勻沉降問題更為突出。從根本上降低擴(kuò)建路基沉降不均勻問題發(fā)生概率，還要結(jié)合工程具體建設(shè)要求，分析導(dǎo)致新舊路基不均勻沉降的機(jī)理，積極引進(jìn)更先進(jìn)的不均勻沉降控制技術(shù)，切實(shí)延長全生命周期。

2 新舊公路不均勻沉降分析與控制工作的重要意義

當(dāng)前公路工程交通量呈現(xiàn)出逐年遞增的發(fā)展態(tài)勢。早期公路建設(shè)受技術(shù)與經(jīng)濟(jì)等因素限制，建設(shè)規(guī)模較小，無法滿足現(xiàn)階段城市化建設(shè)要求，導(dǎo)致公路自身具有的便捷、高速的服務(wù)優(yōu)勢難以充分發(fā)揮出來。由此可見，對原有道路進(jìn)行擴(kuò)建與加寬處理已經(jīng)成為現(xiàn)有公路建設(shè)行業(yè)重要任務(wù)之一。

公路擴(kuò)建工程需要涉及路基拓寬工作，但在新舊路基連接過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)開裂與滑移等現(xiàn)象，引發(fā)不均勻沉降病害問題。由于國內(nèi)在路基拓寬等方面的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)較少，相應(yīng)的設(shè)計方式與計算理論不夠成熟，導(dǎo)致部分拓寬工程的建設(shè)效果不理想，通車后不久就會出現(xiàn)縱向開裂情況。

為確保公路工程路基擴(kuò)建工作高質(zhì)高效開展，需要注重研究新舊路基結(jié)構(gòu)銜接關(guān)鍵技術(shù)，分析導(dǎo)致新舊路基不均勻沉降問題的機(jī)理，制定出專項(xiàng)可行的不均勻沉降解決方案，為以后類似加寬改造工程提供更加科學(xué)的設(shè)計與施工依據(jù)。

3 新舊路基不均勻沉降病害機(jī)理

3.1 新舊路基常見病害問題

在新舊路基銜接過程中，由于路基結(jié)構(gòu)材質(zhì)不一致，施工時間存在較大差異，極易引發(fā)下列幾種沉降病害。

（1）擴(kuò)建路基失穩(wěn)。在新舊路基銜接施工期間，銜接處滑動問題較為常見，如沒有對此問題進(jìn)行及時處理，會引發(fā)整體坍塌等更嚴(yán)重的安全事故。此種病害問題多發(fā)生在地基土質(zhì)較為軟弱、高填方路堤結(jié)構(gòu)、坡勢較陡地帶等?；瑒訂栴}也會引發(fā)路面結(jié)構(gòu)縱向裂縫，雨水滲入到裂縫中，路基結(jié)構(gòu)整體性與穩(wěn)定性將嚴(yán)重下降。

（2）路面破損。在新舊路基不均勻沉降的情況下，也會導(dǎo)致路面破損情況出現(xiàn)，嚴(yán)重影響路面結(jié)構(gòu)全生命周期。不同材質(zhì)路面破損情況存在一定差異。具體而言，水泥路面常見情況為脫空，進(jìn)而引發(fā)板塊斷裂情況。瀝青路面的結(jié)合料松散，橫坡拼接處將出現(xiàn)或面層破碎情況。

（3）邊坡病害問題。如拓寬后的路基結(jié)構(gòu)沉降不均，也會因自然水滲入而導(dǎo)致邊坡結(jié)構(gòu)出現(xiàn)淺層滑坡、侵蝕剝落等病害問題，對公路工程后期運(yùn)營期間的穩(wěn)定性及長效性造成嚴(yán)重不利影響。

3.2 新舊路基不均勻沉降機(jī)理

導(dǎo)致新舊路基平穩(wěn)度不足的機(jī)理主要是由于地基里含有軟弱下臥層，土體流動性大、壓縮性強(qiáng)，在銜接部位強(qiáng)度施工水平未達(dá)標(biāo)的情況下，會使銜接處到軟弱層底面發(fā)生滑動情況，導(dǎo)致穩(wěn)定性下降；在地基結(jié)構(gòu)坡面坡度較大的情況下，填筑期間會出現(xiàn)坡度不一致問題。為從根本上提高路堤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能，還需要額外增加加筋擋土墻或者重力擋土墻。

新舊路基結(jié)合處強(qiáng)度不足，也會使不均勻沉降問題出現(xiàn)。由于新舊路基銜接工作專業(yè)性強(qiáng)、流程繁瑣，常會因人為問題施工質(zhì)量下降。例如，施工人員施工經(jīng)驗(yàn)較少，臺階開挖時出現(xiàn)超挖情況，導(dǎo)致后續(xù)施工成本增加，路基結(jié)構(gòu)強(qiáng)度下降。在排水設(shè)施布置不當(dāng)?shù)那闆r下，也會引發(fā)地下水下滲情況，使路基結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滲水或滯水問題，影響路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

3.3 新舊路基不協(xié)調(diào)變形病害機(jī)理

新舊路基結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)變形問題主要就是在行車荷載作用下產(chǎn)生的路基結(jié)構(gòu)壓縮變形情況、新舊路基自身固結(jié)變形產(chǎn)生的豎向位移差等。新路基荷載效果產(chǎn)生地基固結(jié)沉降問題多發(fā)生在地質(zhì)條件較差的路段，由于附加應(yīng)力持續(xù)增長，導(dǎo)致軟弱地基中的超孔隙水壓力進(jìn)一步加大，新舊路基加寬部分會因行車時間的延長而出現(xiàn)不協(xié)調(diào)變形情況。

由于新舊路基自身存在壓縮變形問題主要是在填石路堤銜接狀態(tài)不佳、黏土填料過節(jié)時間較長等情況下發(fā)生。由于舊路基在行車荷載與自重作用下的壓縮變形結(jié)束，新路基隨后產(chǎn)生較大壓縮變形情況，使路面結(jié)構(gòu)沉降不均，隨后引發(fā)開裂問題。

4 新舊路基不均勻沉降影響因素

為切實(shí)找出能夠引發(fā)新舊路基不均勻沉降問題的影響因素，本文使用有限元計算方式，對拓寬路基差異沉降數(shù)值進(jìn)行計算。在新舊路基銜接過程中，新路基在舊路基上的填筑會對舊路基產(chǎn)生新的作用力，使舊路基發(fā)生再次沉降。

在公路工程路基拓寬沉降計算過程中，需要重點(diǎn)關(guān)注最大沉降差值隨時間變化而出現(xiàn)的變化規(guī)律。由于施工現(xiàn)場土體結(jié)構(gòu)物理性質(zhì)、施工技術(shù)存在較大差異，最大差異沉降預(yù)估值的誤差會達(dá)到10%～20%。在最大差值計算過程中，也會使用反分析方式，結(jié)合工程中測量信息，擬和部分參數(shù)推照經(jīng)驗(yàn)公式，用公式計算出沉降隨時間變化而發(fā)生的沉降量。

在有限元計算過程中，可以通過有限元軟件，對新舊路基結(jié)構(gòu)荷載力、應(yīng)力以及邊界條件進(jìn)行模擬分析，并計算出更精準(zhǔn)的路基差異沉降值。通過分析有限元路基結(jié)構(gòu)模型，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致新舊路基不均勻沉降問題的影響因素主要包括以下幾種：

（1）在路基結(jié)構(gòu)單側(cè)加寬的情況下，等量寬度增加量對路基沉降趨勢的影響先增大而后又逐步減小。在拓寬寬度較小的情況下，路基頂面沉降最大位置會位于新路肩最邊緣方向。隨著單邊加寬值增大，沉降最大值的位置出現(xiàn)變化，即向路心逐步靠攏；

（2）在路基填土高度較小的情況下，拼接路面頂端的總體沉降曲線會呈現(xiàn)出波浪形特征。因填土高度小、新路基對老路基的影響也會較小，沉降曲線前段將較為平緩。在舊路基坡腳線與新路基路肩之間的距離較大時，舊路邊坡填筑高度發(fā)生改變，會使沉降值增大；

（3）在舊路基壓縮模量為定值時，新路基及壓縮模量的增加會導(dǎo)致最大差異沉降值呈現(xiàn)出遞減的態(tài)勢。如新路基壓縮模量較小，在新路基結(jié)構(gòu)自重作用下，也會引發(fā)再次沉降情況。

5 新舊路基不均勻沉降控制技術(shù)

5.1 新舊路基常見處治要點(diǎn)

在新舊路基結(jié)構(gòu)地質(zhì)條件較差、拓寬路基為高填路堤結(jié)構(gòu)的情況下，天然路基強(qiáng)度、穩(wěn)定性無法長期運(yùn)營要求，需要對新舊路基結(jié)合處進(jìn)行新舊處理。在路基拓寬技術(shù)選擇過程中，應(yīng)做好前期勘察拓寬結(jié)構(gòu)地質(zhì)情況，分析道路性質(zhì)與實(shí)際施工條件等工作，制定出專項(xiàng)可行的處治，確保新舊路基不均勻沉降問題能夠被及時發(fā)現(xiàn)與處理。

具體來說，拓寬路基常見處理技術(shù)為換填法、拋石擠於法、排水固結(jié)法等。由于新舊路基不均勻沉降問題主要是由于填料及壓縮度差異較大導(dǎo)致，可以選擇與舊路基相同的填料填筑，要求此填料具備級配性好、透水性好等特征。

為從根本上提高新舊路基銜接水平，還需要合理提高路基壓實(shí)度，嚴(yán)格遵循現(xiàn)行公路路基設(shè)計規(guī)范要求，計算出適宜的壓實(shí)參數(shù)，從根本上保障新舊路基銜接效果。

5.2 不同新舊路基不均勻沉降處理

在輕質(zhì)路基結(jié)構(gòu)不均勻沉降問題處理過程中，可以首先構(gòu)建二維模型，計算出新路基與舊路基結(jié)構(gòu)的摩擦系數(shù)。通過對比分析采用輕質(zhì)路堤與未采用輕質(zhì)路基結(jié)構(gòu)的沉降差值，發(fā)現(xiàn)輕質(zhì)路基結(jié)構(gòu)的使用可以最大限度減小沉降差值。

在使用臺階開挖拼接技術(shù)過程中，需要結(jié)合工程新舊路基擴(kuò)建具體要求，選擇適宜的臺階開挖形式。如標(biāo)準(zhǔn)式臺階主要就是在舊路基結(jié)構(gòu)削坡后，通過邊坡確定臺階的高度與寬度，具有開挖便捷優(yōu)勢，但實(shí)際高度與寬度數(shù)值往往無法同時滿足設(shè)計要求；內(nèi)傾式臺階主要就是在標(biāo)準(zhǔn)臺階基礎(chǔ)上，在臺階水平面布設(shè)內(nèi)傾角，可以切實(shí)滿足新舊路基銜接填筑要求。

由于引發(fā)新舊路基不均勻沉降問題的因素較多，在選擇沉降控制技術(shù)過程中，還應(yīng)當(dāng)將多技術(shù)結(jié)合在一起，細(xì)化實(shí)際控制方案內(nèi)容，降低不均勻沉降問題發(fā)生概率。

6 結(jié)語

總而言之，為有效分析新舊路基不均勻沉降機(jī)理，探索出能夠造成不均勻沉降問題的各類影響因素，需要配合使用先進(jìn)的有限元計算方式，計算出擴(kuò)建路基期間的各類技術(shù)參數(shù)，探索新舊路基不均勻沉降變化規(guī)律。結(jié)合工程具體施工要求，對現(xiàn)有不均勻沉降控制技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，確保公路工程能夠始終朝向高質(zhì)高效化方向建設(shè)。