公路改改擴(kuò)建工程中的沉降分析

公路改改擴(kuò)建工程中的沉降分析

0公路立地條件的影響20世紀(jì)90年代末，中國(guó)的道路建設(shè)，尤其是道路建設(shè)，進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。如今,一些早期建成的高速公路已經(jīng)使用了10年以上的時(shí)間。這些高速公路多半在路網(wǎng)中位居十分重要的區(qū)段,因此交通總量大、上升速度快。另外,汽車超載的普遍性已使公路不堪重負(fù),公路的破壞速度超乎尋常。為了提高道路的服務(wù)水平,適應(yīng)更大流量的交通需求,近年來,中國(guó)一些地區(qū)已經(jīng)開始對(duì)早期建設(shè)的高速公路進(jìn)行擴(kuò)寬改造。然而,目前國(guó)內(nèi)尚無具體的設(shè)計(jì)和施工技術(shù)規(guī)范,在很多方面需要進(jìn)行理論的探索和研究,為高速公路的大面積擴(kuò)建提供支持。在公路加寬改建工程中,如何保證新、舊路基,特別是軟土地基上的新、舊路基不發(fā)生過大的差異沉降,以減輕或避免路面因此而產(chǎn)生變形、開裂,是迫切需要解決的問題。而根據(jù)不同的工況采用不同的沉降計(jì)算方法,從而獲得接近實(shí)際的沉降結(jié)論,是確定正確的路基處理方案和控制沉降措施的前提。1工程實(shí)踐1.1部分路段的工后沉降在沈大高速公路改建的路基加寬工程中,由于部分路段位于軟土地基上,在路堤設(shè)計(jì)與施工中發(fā)現(xiàn)舊路基下的軟土地基已發(fā)生一定的沉降,部分路段的工后沉降甚至已經(jīng)完成,而新建路堤的工后沉降尚未發(fā)生,兩者的沉降速率明顯不同,這就意味著通車后短期內(nèi)新、舊路基要產(chǎn)生不均勻沉降。因此,在工程中根據(jù)軟土地基上路基加寬所出現(xiàn)的不均勻沉降和路面裂縫等問題,從控制軟土地基沉降入手,重點(diǎn)進(jìn)行了軟土地基和新、舊路基結(jié)合部位的處理,提出比較合理的路基加寬方案。1.2新、舊路基銜接結(jié)構(gòu)的加固方案廣佛高速公路是國(guó)內(nèi)較早進(jìn)行加寬改建的高速公路。在加寬過程中,針對(duì)新、舊路基的不均勻沉降和路基穩(wěn)定性問題進(jìn)行探討,提出了合理的路基加寬結(jié)構(gòu)方案,如采用粉噴樁處理新加寬部分的地基以減小地基的沉降和不均勻沉降,同時(shí)還提出了新、舊路基銜接措施,如在結(jié)合部位采用挖臺(tái)階的形式加強(qiáng)新、舊路基的整體結(jié)合性和穩(wěn)定性等。2延長(zhǎng)技術(shù)2.1路基文化研究雙側(cè)對(duì)稱加寬適用于通過城鎮(zhèn)地區(qū)的低路堤公路和受居民房屋、建筑物、電力通信線路所約束的路段。雙側(cè)對(duì)稱加寬的特點(diǎn)是新、舊路基的中心線基本重合;優(yōu)點(diǎn)是道路加寬后路面能較多地利用原有道路的路基;缺點(diǎn)是很難保證新、舊路基土之間的整體性和緊密結(jié)合,形成2個(gè)新、舊路基的銜接面。如果是高路堤,而且加寬值又不大,則難以保證新、舊填土之間的緊密結(jié)合,需要對(duì)新填土進(jìn)行嚴(yán)格的壓實(shí)或加固,否則新填土可能滑塌或被沖刷。雙側(cè)對(duì)稱加寬如圖1所示。2.2施工質(zhì)量較高,經(jīng)濟(jì)效益好單側(cè)加寬具有新、舊路基的中心線不重合的特點(diǎn);缺點(diǎn)是難以保證新填路基的強(qiáng)度與舊路基相同;優(yōu)點(diǎn)是僅有1條銜接縫,施工作業(yè)面大,質(zhì)量容易得到保證。土方工程可以從路的一側(cè)集中施工,在一個(gè)地點(diǎn)可完成較大的工程量。為了保證工程質(zhì)量,路基的實(shí)際加寬數(shù)值有時(shí)要大于設(shè)計(jì)數(shù)值,以便能安全地使用筑路機(jī)械(平地機(jī)、壓路機(jī)等)進(jìn)行操作,使邊坡填筑牢固和新填土壓實(shí),確保加寬部分的質(zhì)量。單側(cè)加寬如圖2所示。2.3路基適用工藝采用單側(cè)加寬方式時(shí)施工方便,而且路基土方施工時(shí)原有舊路可以作為臨時(shí)道路使用。單側(cè)加寬路基加寬值較雙側(cè)加寬要大,壓實(shí)度容易保證,且基底處理一系列施工工序都在一側(cè)進(jìn)行,施工進(jìn)度快。單側(cè)加寬可以減小新、舊路基接觸面,降低路基基底處理難度。因此,在不受地形等限制的情況下,舊路基擴(kuò)建應(yīng)優(yōu)先考慮單側(cè)加寬。無論采用哪種路基加寬方法,都要保證新、舊路基土能很好地結(jié)合,使其均勻受力。如結(jié)合不好,路基的新填部分可能會(huì)在行車碾壓過程中使路面凹陷或凸起,甚至?xí)谒托熊嚨膭?dòng)力等外界因素作用下產(chǎn)生滑移,以致影響公路的正常使用。3舊道路的主要問題3.1路基結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性加寬道路的主要病害是裂縫,包括橫向、縱向、塊狀、網(wǎng)狀裂縫(龜裂)等,而縱向裂縫的表現(xiàn)尤為嚴(yán)重。新、舊路基加寬處理后結(jié)合部位的路基材質(zhì)和路面結(jié)構(gòu)層厚度、強(qiáng)度不一,特別是一邊為新填路基,另一邊為原有舊路基,兩者質(zhì)量也存在差異,在結(jié)合部位會(huì)產(chǎn)生一個(gè)臨界面,為道路開裂留下隱患。新、舊路基結(jié)合部位工藝較復(fù)雜,施工難度大,往往由于人為因素使密實(shí)度無法達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合部位兩邊的新、舊路基沉降速率不一樣,沉降量不同,會(huì)導(dǎo)致結(jié)合部位存在應(yīng)力突變、集中現(xiàn)象,這種彎拉應(yīng)力大而結(jié)合界面強(qiáng)度較低的狀況,會(huì)使此處路面開裂形成錯(cuò)臺(tái)。新加寬路基邊坡坡腳在填土重力作用下逐漸發(fā)生側(cè)向位移,進(jìn)一步帶動(dòng)上面的填土沉降和側(cè)向位移,使整個(gè)加寬部分的填土沿結(jié)合部位產(chǎn)生橫向和豎向移動(dòng)。新、舊路基結(jié)合部位位于新加寬路幅的行車道時(shí),該處的土層一旦浸水潮濕,容易產(chǎn)生形變,加劇路基的橫向不均勻沉降,從而導(dǎo)致路面行車道產(chǎn)生縱向裂縫。3.2新路基、舊路基壓實(shí)度差異軟土地基繼續(xù)沉降和施工壓實(shí)不均是產(chǎn)生不均勻沉降的原因。實(shí)際觀測(cè)表明:路基整體切除式的路段的縱縫明顯少于路基臺(tái)階式填筑的路段。理論上臺(tái)階式路基的不均勻沉降要小,而實(shí)際上卻相反,可能是壓實(shí)度不足所致。由于臺(tái)階式路基工藝復(fù)雜,填筑不方便,當(dāng)用不同土質(zhì)填筑路堤時(shí),填筑方法不當(dāng)或填料的含水量、松鋪厚度的差異都使新路基的壓實(shí)度不均勻,也很難壓實(shí)。尤其在臺(tái)階的接縫處,新、舊路基不能很好地結(jié)合,造成薄弱面,不如新路基整體壓實(shí)方便。在部分路段采用整體提高路基高度的辦法解決新、舊路基不均勻沉降問題,實(shí)踐證明這種辦法會(huì)產(chǎn)生更多的問題,因此不宜采納。4新舊交差的沉降分析4.1寬度對(duì)原路堤的影響道路加寬時(shí),原路已經(jīng)運(yùn)營(yíng)了一段時(shí)間。在原路堤荷重的作用下,地基土已基本或完全固結(jié),地基的物理力學(xué)性質(zhì)有極大的改變。特別是軟土地基,強(qiáng)度明顯提高,即使是還未完全固結(jié)穩(wěn)定的路段,地基土的性質(zhì)也有了較大的改善。在同等荷載作用下,加上荷載相對(duì)位置的影響,相對(duì)于加寬地基,舊路基將發(fā)生一定的沉降增量,進(jìn)而引發(fā)新、舊路基間差異沉降的產(chǎn)生。若在兩側(cè)進(jìn)行加寬,新加寬路堤的自重將以偏心荷載的形式作用于舊路基,引發(fā)新的附加不均勻沉降增量,其大小與偏心荷載的作用距離有關(guān),越近影響越大。若兩側(cè)同時(shí)對(duì)稱拓寬,產(chǎn)生的沉降增量呈反盆形分布,在原路基中心最小,兩側(cè)加寬形成的斷面形心垂線處為最大,而自形心垂線位置至加寬后的新路堤堤腳間逐漸減小,見圖3。隨著加寬寬度的增加,原路堤中心的沉降增量的變化率逐漸減小,當(dāng)達(dá)到一定寬度后,原路中心沉降增量幾乎保持不變。拓寬形心處的沉降增量則隨著加寬寬度的增加逐漸增大,當(dāng)加寬寬度達(dá)到30m左右后,拓寬后形心處的沉降量與原四車道中心沉降量相同。4.2舊路加固壓路機(jī)壓實(shí)難題路基壓實(shí)的最終目的是滿足路床頂面檢驗(yàn)時(shí)的路基整體強(qiáng)度——回彈模量或彎沉值達(dá)到鋪筑路面墊層或底基層的要求。由于壓路機(jī)無法錯(cuò)輪,舊路加寬改建工程位于新、舊路基結(jié)合處臺(tái)階根部,壓實(shí)有一定難度。加寬部分路基土的壓實(shí)度應(yīng)比原設(shè)計(jì)提高1%。5擴(kuò)建路堤沉降計(jì)算方法分析5.1沉降控制因素加寬工程成敗的關(guān)鍵是對(duì)舊路穩(wěn)定狀況進(jìn)行評(píng)價(jià),只有這樣才能真正從動(dòng)態(tài)上對(duì)加寬路堤的沉降進(jìn)行控制。這種評(píng)價(jià)主要是通過對(duì)舊路進(jìn)行必要的沉降觀測(cè),根據(jù)舊路的工后沉降變化規(guī)律選擇合理的工后沉降推算方法,對(duì)其工后殘余沉降進(jìn)行預(yù)測(cè),并結(jié)合加寬路堤的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)初步確定加寬部分的沉降量,為合理選擇地基處理方法和施工方法提供依據(jù)。5.2固結(jié)變形規(guī)律與原路堤載荷的關(guān)系目前國(guó)內(nèi)地基沉降估算多采用分層總和法。工程上采用的分層總和法均以無側(cè)向變形條件下土的壓縮量(或單向壓縮)公式為基礎(chǔ),并假定土體僅產(chǎn)生豎向壓縮而無側(cè)向變形。基于該假定,在對(duì)加寬路堤進(jìn)行沉降計(jì)算時(shí),只有路基中心點(diǎn)的沉降近似符合,而其他點(diǎn)位是不符合該假定的,主要原因是原路堤存在明顯的側(cè)向變形。土體橫向固結(jié)對(duì)沉降的影響有時(shí)比豎向還大,特別是在高等級(jí)公路的加寬工程中,新、舊路基的施工間隔一般都比較長(zhǎng),其固結(jié)變形規(guī)律具有明顯的二維特征。因此,采用二維甚至三維理論對(duì)舊路加寬工程進(jìn)行沉降和固結(jié)規(guī)律的分析將更符合實(shí)際。通過對(duì)現(xiàn)有計(jì)算方法的分析,在對(duì)加寬工程進(jìn)行沉降計(jì)算的過程中,是否應(yīng)考慮原路荷載對(duì)地基沉降的影響,將左右對(duì)壓縮層厚度和沉降計(jì)算方法的選取。因此,應(yīng)在對(duì)原公路的穩(wěn)定狀況和地基處理方法進(jìn)行分析評(píng)價(jià)后,才能作出合理的選擇。以下對(duì)原路處在不同穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)采用的沉降計(jì)算方法進(jìn)行分述。5.2.1沉降計(jì)算結(jié)果該工況地基在原壓荷載的作用下,固結(jié)已基本完成,地基不再發(fā)生固結(jié)變形,在進(jìn)行沉降計(jì)算時(shí)可僅對(duì)新加寬路堤的荷載進(jìn)行沉降計(jì)算分析,而不考慮原路荷載對(duì)沉降計(jì)算的影響。在確定壓縮層厚度時(shí)可不考慮原路荷載的影響,甚至可近似地按一維沉降計(jì)算方法進(jìn)行固結(jié)和沉降計(jì)算。5.2.2降低地基沉降變化此時(shí)沉降計(jì)算應(yīng)考慮原路荷載對(duì)沉降變形的影響。在具體計(jì)算時(shí)應(yīng)根據(jù)原路的實(shí)際加載進(jìn)行沉降固結(jié)計(jì)算,然后將加寬荷載作為下一級(jí)荷載施加,計(jì)算加寬后的地基沉降變形規(guī)律。在計(jì)算過程中,可應(yīng)用實(shí)測(cè)資料對(duì)計(jì)算值進(jìn)行修正,以使沉降計(jì)算更加符合實(shí)際。此時(shí)地基將產(chǎn)生明顯的側(cè)向變形,特別是在高路堤路段和軟土層較厚路段更為明顯,應(yīng)依據(jù)可反映側(cè)向變形的二維理論進(jìn)行沉降和固結(jié)變形計(jì)算。5.2.3路基加快血壓監(jiān)測(cè)原路地基處理方法為固結(jié)排水法,由于施工對(duì)原路基的擾動(dòng)和舊路基的自重作用,路基加寬時(shí)再次出現(xiàn)固結(jié)和沉降。此時(shí),盡管地基在原壓荷載作用下已經(jīng)穩(wěn)定,在沉降計(jì)算時(shí)也應(yīng)考慮原壓荷載在地基受擾動(dòng)后產(chǎn)生再固結(jié)變形的影響。采用二維分析方法能更好地反映實(shí)際過程。5.2.4地下水位局部降低該工況主要是指路基兩側(cè)抽水后迫使舊路基向外形成滲流和一定范圍內(nèi)地下