刘岳兵

(湖南建工集团有限公司,湖南 长沙 410000)

1 工程概况

武陵山大道位于张家界主城区,是联系城区与武陵源景区的交通主干路,现状为S306省道,二级公路。武陵山大道包括城区段与景区段两部分,城区段所在区域位于张家界市主城区北片的沙堤片区,全长约10.0 km,城市主干路等级。

为提高建设用地利用率与合理利用建设资金,对武陵山大道城区段进行全面升级改造,在原有道路基础上,对该区段进行二级拓宽。其中九路采用双向车道,路幅宽度约为50 m,路面断面形式较为复杂,旧路总长10.0 km,新路总长为6.2 km,整体利用率为78%。根据沿线路网及周边地块开发形状,确定线路全程主要采用填方路基的形式进行施工,南段与北段的填方面积较小,沿线边坡的平均高度为10.2 m。为减少占地面积,对于边坡防护的,利用石垛与挡土墙对边坡支护,旧路拓宽区段采用两侧加宽。为减少征地拆迁,拓宽路段按50 m宽道路宽度设计,双向8车道。对于道路一侧受房屋、河流、高陡边坡等因素限制的路段,经方案比选,可采用单边加宽。路基加宽施工期间,旧路仍在运营中,应根据工程进度进行相应的施工交通组织和控制。

根据地质勘察报告,拟建场地的地震烈度为Ⅵ度,属于相对稳定区域,项目区工程场地类别以Ⅰ～Ⅱ类为主。沿线地貌类型主要为冲积平原,路基填土构成成分较为复杂,根据线路里程,将典型地质层组分为6类,如表1所示。

表1 工程路基地质分布

拟建场地中的地下水位平均高度为20.6 m,主要由道路两侧基岩裂隙水与自然降水给予,包括砾石角砾土,含水量高,透水性强。水量随地质条件的变化而变化很大。基岩面作为相对隔水层,是地下水的聚集汇流带。水量、水位动态变化较大,水质总体较好。属于淡水,具有弱腐蚀性。

在项目施工期间,旧地基的沉降已经结束,在运营过程中,由于旧路路基自重和车辆荷载的持续作用,软土地基中的水被排出,而路面加宽较厚,新地基与旧地基的固结时间与强度不同,且两者的地基压缩模量差距较大,这导致加宽工程的不均匀沉降。为最大限度地减少拓宽施工后地基的差异沉降,将沉降控制在合理范围内,有必要分析不均匀沉降的原因,从而有针对性地设计沉降控制措施。

2 路基差异沉降产生机理分析

2.1 横向差异沉降产生机理

道路结构与路基之间存在明显的刚度差异。一般情况下,在下部基础的支撑下,道路部分的沉降较小,而桥台部分的沉降由路基压缩沉降和地基固结沉降组成[1]。当道路后面的路基逐渐填充和抬高时,土壤荷载从桥台上脱落后,地基将继续固结和沉降[2]。在短周期的情况下,软土地基含水量大、空隙率高、强度不足,需要很长时间才能完成固结,这导致运营期桥台后基础持续固结沉降,导致不均匀沉降。此外,根据施工工艺可知,道路回填工序通常是在原有道路边沟填平压实后进行的,而这将会使路面的施工面变窄,增加了土石方压实的难度,最终使得新道路土工格室的填料无法彻底压实,而在重力侵蚀与路基自重应力的共同作用下,导致填料与高填路基之间的孔隙逐渐较小,进而产生差异沉降。

2.2 纵向差异沉降产生机理

经过多年的旧路运营,旧路路基和基础的固结沉降基本完成,并进行了加宽和拼接。新路基填料的重力荷载将导致下部路基和新路基产生较大的固结沉降,路基两侧将产生不均匀沉降,并向上反映到路基和路面。当地基为软土时,不均匀沉降将更加严重;为了将新旧路基整体拼接,减少不均匀沉降,需要对新旧路基接缝进行重点处理[3]。然而,由于施工工艺、处理不当等因素,现场处理往往达不到设计要求,导致接缝处不均匀沉降或新路基沿接缝面滑动,旧路基原有湿度大,压实度不足,路基填料差异大,新填路基和旧填路基的土体强度和稳定性差异很大,这必然导致一定的沉降差异。

根据以上总结可知,公路拓宽工程病害主要来自新旧路基变形不协调和拓宽路基稳定性差两个方面。以下将基于上述两个原因和项目概况,研究不均匀沉降的控制措施。

3 差异沉降控制技术研究

3.1 路基模型建立

有限元方法可以对实验室测试中难以实现、无法实现的理论推导或理论推导结果误差较大、理论推导耗时的工程问题进行数值模拟,它在处理工程问题的过程中具有许多优点。通过计算机程序,对建设工程中的向异性与非匀质性材料进行分析与处理,求解非线性问题,获得可适应各种复杂边界条件的线性计算模型[5]。

路基土承受拉力的能力远远小于其压缩能力。路基土的变形除了受荷载影响较大外,还会受到静水压力和侧向应力的影响。因此,选择Drucker-Prager(D-P)模型作为有限元分析的材料模型。

根据工程实际情况,拓宽后全宽路基宽度分为41.0 m和42.0 m,因此,设置路基计算模型的尺寸为42 m×41 m,每侧宽度计算为8 m,边坡率采用工程中的二级边坡的坡率,为1∶1.5,加宽路基模型的底部长度为30 m,宽度为20 m;基床表层的计算长度取15 m,宽度取18 m,路基的延伸方向长度取15 m。具体计算参数如表2所示。

表2 路基模型计算相关参数

模型中定义的水平位移基于旧路基中心线下方的基面,垂直于路基中心线并远离路基的方向为正,相反方向为负;沉降基于旧路基的中心线和路基顶面线,向下为正,向上为负。考虑到加宽路基宽度较大,为了保证有限元分析计算的计算机运行速度,对路基模型的网格划分单位取1.5 m进行计算。路基计算模型示意图如图1所示。

图1 有限元路基计算模型示意图

原点位于旧道路中心下方研究范围的最低点,图中点A,在y轴方向上,选择地面以下18 m的路基和地基土作为路基模型的计算范围。其中,由素填土和粉质粘土组成的填土层地基1的厚度h1=3 m,高液限土和其他不良地质土组成的软弱土层地基2的厚度h2=5 m,由岩层组成的地基3的厚度h3=10 m;在x轴方向上,选择向右延伸50 m的路基中心线作为路基模型的计算范围,其中旧道路顶面宽度为14 m,新扩建道路宽度为10 m。

根据以上方法建立的路基计算模型,基于土体参数,接下来计算新旧路基的差异沉降量,便于设计有针对性的沉降控制措施。

3.2 新老路基差异沉降计算

为精准求解出新旧路基的最终差异沉降,在计算之前,需要根据路基的固结时间界定路基的沉降类型进行分类与界定。将原有道路的路基称为旧路基,拓宽后的路基称为新路基,旧路基与新路基之间的衔接部分称为拓宽路基。

为便于计算,对路基的沉降类型做出如下定义:旧路基的最终沉降为第一次与第二次沉降量之和;新路基的最终沉降为瞬时沉降、主固结沉降与次固结沉降量之和。所以拓宽路基的最终沉降包括旧路基与新路基的最终沉降量之和。

假设地基计算深度E,平均变形模量为Se为

(1)

式中:σz为土层的平均附加压力,MPa。在此工程施工过程中,平均变形模量为2.5 MPa,根据前述已知的地基计算深度,结合公式(1)可得到老路地表的总沉降为0.27 m。

根据图2可知,新路基的分布为平行四边形,而其表面的荷载分布形式主要为梯形荷载,因此,结合新路基的附加应力,得到新路地表总沉降St为

图2 路基差异沉降观测结果

St=(k1+k2+k3)P1+(k4+k5+k6)Pa

(2)

式中:k1、k2、k3分别为旧路基三个三角形分布区荷载的附加应力系数;P1为沿深度方向旧路基的附加应力,MPa;k4、k5、k6分别为旧路基三个矩形分布区荷载的附加应力系数;P2为沿深度方向新路基的附加应力,MPa。通过前述数据计算新路地表的总沉降为0.23 m。

根据以上两式可以计算得到新老路基的差异沉降为

ΔS=St-Se

(3)

利用上式计算即可得出路基底面下地基各层的沉降总和,即路基的最终差异沉降为0.04 m,可为差异沉降控制措施的研究提供数据基础。

3.3 差异沉降控制措施

基于以上分析,得到路基差异沉降的主要原因为地基的不均匀变形,因此优化地基处理技术以减少新老路基的不一致沉降是解决新老路基不均匀沉降的根本。

由于工程所在区段的土质存在少量软土地层,厚度不超过5 cm,因此可采用复合地基处理技术来减少差异沉降。其主要原理为:沿地面高程方向向下对土层开挖,将其中的软土层利用强度高、透水性较差的圆砾与粉煤灰替代,并采用压实机压实,提高路基的承载力,减少路基基床底层的沉降变形。

将拓宽的路基部分的表面碎石与残渣进行彻底清除并开挖台阶,在台阶的下2/3处铺设土工格栅,将碎石垫层压实;为保证路基基床的压实度达到控制标准,采用冲击压路机进行压实,确保压实度不小于90%,压实范围为基床表层到边坡的坡脚外侧。当路基周边存在地下管道与其他构筑物或断面宽度无法支持冲击压实时,此时采用压实机进行压实,并在压实范围周边开挖隔振沟,同时铺设的土工格室应延伸到室内深调节的内边缘。

4 应用效果分析

项目位于沙堤区,软土分布广泛。由于土路拓宽工程的变形率和变形量高于道路工程,容易产生较大的总沉降和不均匀沉降,对拓宽路基的安全性影响较大,更容易造成道路路面纵向开裂等不良工程病害。因此,考虑到路基的不利工程特性,本项目拟采用比现行线路扩建的一般沉降标准更高的控制标准。确定本工程沉降控制标准为:工后沉降计算期不小于15年,加宽路基工后沉降不大于5 cm。

路基沉降监测采用DSOS级高精度数字水准仪、千分尺和古钢尺,按照国家二级标准要求进行测量,视线高度大于0.3 m。在台阶或基面上开挖一个约40 cm的基坑,覆盖第一段PVC管,并用小型压实机或手动压实。注意沉降管的垂直度,防止机械碰撞和损坏。旧路基的观测点位于旧路基坡顶向内20 cm处,新路基的位移观测点位于新路基和旧路基下方的地基交界处。利用公式(3)计算路基的差异沉降,并绘制差异沉降随时间变化曲线,如图2所示。

随着观测时间的推移,路基的差异沉降值逐渐升高,当路基拓宽时间为50 d时,填筑路基断面的沉降量为3.21 cm,达到了沉降最大值,但仍处于控制目标范围内。由此可以说明,地基处理加固技术能够有效控制路基差异沉降,提高路基的整体稳定性。

5 结束语

依托于武陵山大道拓宽工程,对工程拓宽施工的路基差异沉降的产生机理进行深入分析,借助有限元分析软件,基于计算模型与差异沉降值,提出地基复合处理控制技术,经过实际工程应用表明,该控制措施可有效改善路基差异沉降变形,当路基拓宽时间达到50 d以后,路基的差异沉降达到最大值3.21 cm,且不再继续增大,能够控制路基差异沉降处于目标范围内,确保道路拓宽工程能够向着高质量高效化的方向建设。