改擴(kuò)建道路加寬段沉降變形規(guī)律分析

張明

（山西晉通公路工程監(jiān)理有限公司，山西 晉城 048000）

0 引言

我國早期修建的高速公路運(yùn)營至今已接近30年，由于受建設(shè)時期施工技術(shù)和經(jīng)濟(jì)水平限制，很多道路建設(shè)等級低，運(yùn)輸能力已不能滿足地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求。近年來，各地高速公路相繼開展改擴(kuò)建工程，通常采用加寬路基的方式提高運(yùn)輸能力[1]。然而，高速公路拓寬改建過程中，由于新舊路基沉降變形存在較大的差異，處治不當(dāng)會產(chǎn)生很多質(zhì)量隱患，因此必須做好改擴(kuò)建道路加寬段沉降監(jiān)測，分析確定新舊路基沉降變形規(guī)律。改擴(kuò)建道路加寬段新舊路基的沉降受地基、路基填筑高度、施工工藝等多方面因素的影響，應(yīng)綜合考慮并在路基填筑施工和完工后對路基穩(wěn)定性進(jìn)行準(zhǔn)確分析[2-3]。結(jié)合某高速公路改擴(kuò)建工程，在不同路段布置測點(diǎn)開展沉降監(jiān)測，分析新舊路基的沉降變形規(guī)律，為有效控制新舊路基差異沉降，防止完工后路基出現(xiàn)開裂、塌陷等破壞提供參考。

1 工程概況

國內(nèi)某高速公路建成于20世紀(jì)90年代，經(jīng)過多年的運(yùn)營使用，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)道路沿線出現(xiàn)了大量病害，路面運(yùn)行狀況較差，大大降低了服務(wù)水平，養(yǎng)護(hù)維修費(fèi)用也逐年增加。由于近年來交通量不斷增長，部分路段經(jīng)常出現(xiàn)交通堵塞現(xiàn)象，運(yùn)輸能力已不能滿足當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。該高速公路為山嶺高速公路，由于受建設(shè)階段經(jīng)濟(jì)水平和施工技術(shù)水平等因素的影響，部分路段限速70 km/h，道路線形需要改善。為了提高交通運(yùn)輸能力和服務(wù)水平，更好地服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展，擬對該高速公路開展改擴(kuò)建，采用兩側(cè)加寬的方式對路基進(jìn)行拓寬改造，并對部分路段線形進(jìn)行調(diào)整改善。

該高速公路采用雙向四車道設(shè)計，原路基設(shè)計寬度為24.5 m，拓寬后為33.6 m，改擴(kuò)建施工路段地下水位深度分布在20～30 m，部分路段存在上層滯水，地下水補(bǔ)充主要依靠大氣降水。經(jīng)勘察，道路沿線主要為強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化頁巖、泥巖等，局部路段分布有軟土地基、濕陷性黃土地基。軟土主要組成成分包括淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土等，呈深灰色，軟土地基內(nèi)部含水量高、強(qiáng)度低，地基承載力不足。濕陷性黃土主要為次生濕陷性黃土，呈黃褐色，厚度為0.85～3.1 m，黃土自重濕陷量分布范圍為1.52～36.88，平均值為10.35，總濕陷量分布范圍為1.25～185.36，平均值為61.32，表現(xiàn)為弱濕陷性。

2 加寬段路基沉降監(jiān)測方案

2.1 測點(diǎn)布置

該項(xiàng)目加寬段路基施工采用雙側(cè)加寬，在進(jìn)行沉降監(jiān)測時分別在新路基、舊路基上部布置測點(diǎn)。為降低新舊路基的差異沉降，施工前在舊路基開挖內(nèi)傾臺階，然后逐層填筑并壓實(shí)[4]。重點(diǎn)對軟土地基、濕陷性黃土地基路段的新舊路基沉降變形開展監(jiān)測，半幅路基測點(diǎn)布置如圖1所示。圖1為路基左側(cè)半幅路基的測點(diǎn)布置，右側(cè)半幅路基測點(diǎn)布置與左側(cè)相同。

圖1 半幅加寬段路基沉降測點(diǎn)布置

沉降杯的布置位置為新路基路肩內(nèi)側(cè)，每個監(jiān)測斷面布置6個沉降杯。剖面沉降管沿新路基橫斷面布置，從舊路基臺階根部到新路基邊緣，每個監(jiān)測斷面2根。

2.2 新舊路基沉降監(jiān)測方案

新舊路基沉降監(jiān)測涉及整個施工周期，包括路基填筑施工階段、過渡階段和路面施工階段，過渡階段為路基完工后到路面施工前。在各個施工階段，通過沉降杯和剖面沉降管收集各個測點(diǎn)沉降變形量，分析新舊路基的沉降變形情況，進(jìn)而確定新舊路基的變形規(guī)律。在該項(xiàng)目高速公路拓寬段施工后，沉降監(jiān)測內(nèi)容主要包括新路基沉降、新舊路基不均勻沉降和不同處治方法下軟基的沉降變形，軟土地基路段處治方法包括CFG樁法和土工格柵碎石墊層處治。其中新路基沉降監(jiān)測主要采用剖面沉降管，新舊路基沉降監(jiān)測采用沉降杯、沉降標(biāo)和剖面沉降管，本文主要對新舊路基橫向沉降變形規(guī)律進(jìn)行研究。

3 新舊路基沉降變形監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 新路基沉降監(jiān)測結(jié)果分析

在高速公路改擴(kuò)建工程中，路基拓寬段沉降主要集中在新路基，舊路基由于長時間受車輛荷載的作用和自然沉降已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，即使在施工荷載作用下也會產(chǎn)生一定幅度的沉降，但沉降量較小。新路基在施工過程中受施工車輛荷載、路基自重荷載等作用，會產(chǎn)生不同程度的沉降變形。另外，地基的承載能力也是新路基沉降的重要影響因素，地基變形將直接導(dǎo)致路基的整體變形。新路基監(jiān)測主要采用U型剖面沉降管，對新路基整個橫斷面的沉降變形情況進(jìn)行監(jiān)測。

選取監(jiān)測斷面位于橋頭過渡段，該路段地基為軟弱土層，采用CFG樁進(jìn)行處理。在各個施工階段收集監(jiān)測斷面橫斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制不同監(jiān)測時間各部位沉降量變化曲線如圖2所示。

圖2 新路基橫斷面沉降變化曲線

分析圖2新路基沉降變形曲線，沿路基橫斷面方向路基邊坡位置沉降量最小，向路基內(nèi)側(cè)不斷增加，距邊坡7.5 m處沉降量最大，而后有下降的趨勢。分析原因是由于地基上部的荷載從邊坡向路基內(nèi)部呈線形增加，在距邊坡7.5 m位置路基自重荷載最大，因此該位置路基沉降變形量最大，7.5～9 m路基沉降量有所下降，分析原因是由于新舊路基沉降存在差異造成的。

另外，從該監(jiān)測斷面路基沉降變形情況分析，監(jiān)測期間路基總沉降量為3.25 cm，且沉降變形已明顯趨緩，遠(yuǎn)小于公路路基設(shè)計規(guī)范（JTG D30—2015）規(guī)定的橋頭過渡段沉降不超過30 cm的要求。在路基施工期間沉降速率為0.19 mm/d，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的5 mm/d。沉降監(jiān)測最后兩個月，沉降速率低于1 mm/月，說明路基沉降已基本達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)，軟基處治效果滿足要求。

3.2 新舊路基不均勻沉降規(guī)律

同樣選取CFG樁處治的軟土地基路段作為監(jiān)測斷面，分別在新舊路基上布置沉降杯、U型剖面沉降管，其中沉降杯布置在舊路基上部，S1、S2、S3分別距離道路中心11 m、13 m、16 m，U型剖面沉降管布置在新路基上，從而對新舊路基差異沉降變形進(jìn)行監(jiān)測，分析得出新舊路基沉降變形規(guī)律，新舊路基沉降變形曲線如圖3和圖4所示。

圖3 新路基監(jiān)測斷面沉降變形曲線

圖4 舊路基監(jiān)測斷面沉降變形曲線

分析圖3新路基監(jiān)測斷面沉降變形曲線，可以得出沉降變形趨勢基本與上述監(jiān)測斷面變化趨勢相同，最大沉降量也出現(xiàn)在距邊坡7.5 m位置，監(jiān)測完成后路基沉降變形基本穩(wěn)定。

分析圖4舊路基沉降變形情況，舊路基沉降變形量較小，較新路基小很多，距路基中線越遠(yuǎn)，沉降量越大。這是由于在舊路基長期承受車輛荷載和路基自重荷載的作用，沉降變形已基本穩(wěn)定，施工階段在施工荷載作用下所產(chǎn)生的沉降變形較小。另外，從舊路基路肩到坡腳路基自重荷載依次遞減，地基的固結(jié)情況存在一定的差異，在新路基施工過程中路基沉降變形也存在一定的差異。對比分析新舊路基沉降變形情況，監(jiān)測期間新路基最大沉降量為3.49 cm，舊路基最大沉降量為2.52 cm，沉降差值為0.97 cm，說明新地基固結(jié)變形量遠(yuǎn)大于舊路基。

3.3 不同地基處治方法路基沉降變形規(guī)律分析

選取兩個有代表性的監(jiān)測斷面，分別采用不同處治方法的軟土地基路段，其中，斷面一軟土地基路段采用CFG樁處治，斷面二采用土工格柵碎石墊層處治，路基填筑高度均為6 m。通過收集監(jiān)測數(shù)據(jù)，繪制兩個監(jiān)測斷面不同填筑高度沉降變形曲線如圖5所示。

圖5 不同填筑高度兩個監(jiān)測斷面路基沉降變形曲線

分析圖5沉降曲線變化曲線，隨填筑高度的增加，兩個監(jiān)控斷面路基沉降變形不斷增加，在填筑高度達(dá)到5 m以后沉降變形量有下降的趨勢。斷面一路基沉降量最大值為2.13 cm，斷面二路基沉降量最大值為2.41 cm，斷面二略高于斷面一，但差異不大。

隨著路基填筑高度的增加，地基上部的荷載不斷增加，地基固結(jié)沉降量不斷增加，但路基填筑期間路基沉降變形差異不大。路基填筑完成后，路基自重不再增加，地基處于恒載作用，路基沉降量增加較大，這階段斷面二的沉降量大于斷面一。另外，通過分析監(jiān)測曲線，斷面一地基沉降已呈現(xiàn)明顯的收斂趨勢，而斷面二沉降量極有可能繼續(xù)增長，預(yù)測斷面二的沉降變形將明顯高于斷面一，說明采用CFG樁處治軟基的效果優(yōu)于土工格柵碎石墊層。

4 結(jié)語

結(jié)合高速公路改擴(kuò)建工程，選取有代表性的監(jiān)測斷面，布置測點(diǎn)對新舊路基沉降變形進(jìn)行監(jiān)測，分析確定加寬段新路基、舊路基不均勻沉降和不同處治方法軟基沉降變形規(guī)律，得出以下結(jié)論：

a）新路基從邊坡向路基內(nèi)側(cè)沉降量不斷增加，在距邊坡7.5 m位置沉降量最大，7.5～9 m有下降的趨勢，且總沉降量和沉降速率均滿足規(guī)范要求，監(jiān)測完成后路基沉降已基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

b）分析新舊路基不均勻沉降監(jiān)測結(jié)果，得出新路基沉降變形明顯高于舊路基，舊路基沉降量從路肩到坡腳依次遞減，新舊路基沉降量差值為0.97 cm，說明新地基固結(jié)變形量遠(yuǎn)大于舊路基。

c）軟基采用CFG樁處治路段沉降變形明顯略低于采用土工格柵碎石墊層處治路段，但后者在監(jiān)測完成后仍有繼續(xù)增大的趨勢，說明CFG樁處治軟基的效果優(yōu)于土工格柵碎石墊層。