高速公路软基沉降原因及及防治措施分析

高速公路软基沉降原因及及防治措施分析

谭诗李文娟

1.西昌学院四川西昌615013；2.西南交通大学希望学院四川成都610000

摘要：随着我国国民经济的快速发展，高速公路通车里程得到持续增加。然而，在高速公路建设及后期营运过程中遇到的路基、地基不均匀沉降问题越来越突出，软土地基沉降问题对道路的安全和稳定的运行构成了严重的威胁。所以，采取合理有效措施对软基处理成为当今道路工程建设中的重要技术关键。当前，针对软土地基沉降问题进行处治的技术种类有很多，由此可以为工程建设提供多种选择方案，但是在实际工程应用当中，软土地基处治方案的选择受到多种因素的影响，如果仅仅凭工程技术人员的个人经验，则无法选出最优解决方案，具有一定的局限性。鉴于此，本文针对高速公路软基路段沉降处治技术展开研究。

关键词：软土地基；地基不均匀沉降；处治技术

1.引言

国民经济在改革开放之后得到快速发展，我国的公路里程不断增加，公路等级也得到不断提高。到2015年底，全国公路建成通车共450万km，其中高速公路建成通车里程达10.8万km，基本覆盖全国90%左右的大中型城市。公路交通的迅速发展，对促进经济发展、提高人民生活水平及建设和谐社会等发挥着越来越重要的作用。然而，在这些成就背后，需要看到，很多建成的高速公路在通车后不久，就出现了由于软土地基在路堤荷载和交通荷载等作用，出现的工后沉降量大、沉降不均匀等问题，其中以“桥头跳车”现象最为突出。公路工程中的桥头跳车现象是指道路与桥头接触位置由于车辆的长期作用，路面或桥头搭板出现沉降、变形等病害，使得车辆行经该位置时产生颠簸跳跃情况。尽管在高速公路建设及工后管理时期，业主、管理单位及施工、养护单位都采取不同措施对其进行处理，如采取软土地基优化处理方案、延长地基预压时间、聘请专业施工团队及专家进行指导等，但由地基不均匀变形引发的道路病害仍然存在。因此，本文以解决高速公路软基路段不均匀沉降为出发点，基于理论分析和有限元数值模拟方法，研究处治软基不均匀沉降的应对方法，确定所选几种方案的最优解，并对其施工工艺及质量控制措施进行分析。本文研究成果可为南方地区软土地基类似处治工程提供一定的技术借鉴和参考，具有明显的社会经济效益。

2.软土工程特性

软土主要的物理力学特性为：1天然含水量高；2孔隙比大；3渗透性小。通常水平方向的渗透系数高于竖直方向；4压缩性高。软土的压缩系数与土体的液限及天然含水率呈正相关性；5抗剪强度低。软土抗剪强度主要与施加荷载的速率和排水固结条件有关。在不排水固结条件下，土体内摩擦角等于零，抗剪强度值小，土体内粘聚力值<20KPa；在排水固结条件下，抗剪强度值与固结程度呈正相关，内摩擦角为8°~12°，粘聚力可达20KPa；6触变性与流变性。原状上结构稳定，具有一定的强度，而在外界条件变化后，上的性质发生变化，强度降低，当不改变土体天然含水率时，经一段时间后上的强度又能够逐渐恢复，这一工程特性称为软土的触变性。通常用灵敏度来表征软土的触变性能，灵敏度值越高表明触变性越明显，其值范围3~4。软土的流变性是指在软基受到外部动力作用下，非常出现相两侧滑动、竖向变形及横向变形等情况。

3.软基沉降成因分析

3.1软土地基沉降分析

公路地基一般主要受到上部路堤和行驶车辆的共同作用，当两者总重发生变化时，将使得地基内的上体应力状态将发生改变，进而引发地基的形变。大量现场沉降观测资料表明：公路软基沉降的形成主要分为发生阶段、发展阶段、稳定阶段和极限阶段这4个阶段。1）发生阶段：即上体在外部荷载开始作用时尚为弹性体，此时内部孔隙水还没开始排除，上体将发生向两侧的变形，出现瞬时剪切形变，此时沉降与外部荷载呈线性相关；2）发展阶段：即随着时间的延长以及外部作用力的不断增加，上体中的水逐步被排除，超静空隙水压力不断变小，上体逐渐被压缩紧密而变为弹塑性体，此时沉降速率随上中塑性区的扩展而快速变大；3）稳定阶段：当外部作用力增加到一定值后，上中空隙压力可忽略不计，此时上的固结仍在进行，并开始出现茹滞蠕变，沉降值继续增加但增加幅度越来越小；4）极限状态：随着时间的增加，上体沉降变形将会达到最大，此时的沉降值即为软土地基的最终沉降值。

根据现有资料，将软粘路基的工后沉降划分为三种类型：1）在地震等大的冲击力作用下，道路产生的明显瞬时沉陷和不均匀变形，使得路桥结构出现明显的倾覆和桥头跳台等情况。2）由于工期等因素，在建造时未使路基进行充分压实固结，使道路在路堤自重和路表行车作用下继续出现固结沉降情况。3）当在软基上修筑公路结构物使，车辆循环作用将使路基产生附加沉降变形。

3.2“桥头跳车”成因分析

“桥头跳车”是由桥台和台背填上间由于变形能力不同，在相同外部力作用下产生差异变形而出现的一种道路建设过程中常见的病害问题。一般桥台为钢筋混凝上结构，其沉降可不考虑，因此变形差异就要是台背填上路堤的工后沉降导致，主要包括路表行车荷载下路基的积累沉降、路堤自重引起的变形和地基的长期固结沉降0

（1）地基固结沉降

桥台通常为钢筋混凝上结构，其结构设计和桥台下地基处理都经过严格的控制，因此可忽略掉桥台部分的施工后沉降。资料显示“桥头跳车”主要归因于地基的固结沉降。随着工程的开展，地基上的填上不断增加，外部作用使上体中出现持续固结沉降，加之软土地基的含水率高、空隙比大但抵抗变形能力差，使得排水固结完成阶段持续时间较长，不利于地基的稳定性，影响工程施工。

（2）路基压缩沉降

按照道路施工程序，台背回填通常在桥台建成后才开始，这就导致在桥头路段施工时操作面不够，路堤填上的压实工序开展受到限制，使得建成的台背填上压实程度达不到要求，随着时间的延长，在自重力下填上将会进一步的压实，其结果就是路基出现不均匀竖向变形。

（3）其他影响因素

1）雨水入渗。通常在道路施工时，会在桥与路面接触处留一定的裂缝，使得路表雨水由此浸入结构内部，增加上体内水的含量，浸蚀和冲刷内部细粒上，使得结构层遭到破坏，此时在路表车辆荷载的循环作用下，将使路面出现下沉，导致桥头跳车的出现。

2）温度循环。在外部环境温度和内部温度循环作用下，桥头搭板和路堤上将产生不同程度的热胀冷缩变形，使得搭板与上之间出现间隔，加之路表车辆的作用，会进一步加剧两者间的间隔，最后可能导致断裂，从而引发桥头跳车问题

4.软基沉降防治措施分析

实际工程里，常采用以下措施来处治软基变形和失稳问题：1）延长预压时长，提高软基的承载能力，使地基沉降能够在施工期间基本完成；2）采用布设砂井和排水板等方法提高上体排水固结速度，增加固结沉降值，增强上体强度；3）设计复合桩地基降低最终沉降值，提高地基承载性能，减少工后沉降值；4）设置过渡性路面，等软基变形一定后，在其上在铺设路面层；5）在设计时将标高提高，将工后沉降预先考虑进去。

4.1路堤沉降处治措施

对于高填方路堤段，在设计时通常需要侧重考虑边坡稳定、填料类型及路面荷载等因素。目前，选择高质量的粒状工程填料进行填筑施工是改善路堤稳定性的最好办法。此外，粉煤灰、EPS材料和气泡轻质上等密度小、力学性能优的材料，也逐渐被开发并应用于道路工程中。

（1）粉煤灰填筑

粉煤灰为一种常见且利用价值极高的工程材料。世界范围内，欧美国家最早开始对粉煤灰进行研究并广泛应用于结构物的填充。在美国，仅有20%的粉煤灰被应用于其它领域，其它均使用在道路路堤填筑中，高度最高在8}9m。相比较，国内能够得到利用的粉煤灰仅30%，且多用于建筑领域用于替代水泥。上世界80年代，国内学者开始重视粉煤灰研究，并不断在公路建设中应用。1988年，由粉煤灰用于填筑路堤而建成的沪嘉高速公路通车，共使用10多万吨粉煤灰，标志着我国开始大范围将粉煤灰应用于高速公路路堤工程中。实践证明：将粉煤灰大量应用于高速公路路堤填筑工程中完全是可行的，随后交通部出台《公路粉煤灰路堤设计与施工技术规范》（JTJ016-93），为粉煤灰的推广提供相关技术依据。

（2）轻质回填

1985年，气泡轻质上被应用于波士顿世贸中心地基处理中，为世界首例，共使用7.8万立方气泡轻质上。1988年，英国伦敦Dorkland进行道路建设，为有效减少路堤自重，减少路面沉降，使用2.7万立方气泡轻质上用于路基，有效节省了工程造价。

4.2路基沉降处治措施

预压是常用软基处治的方法之一，通过对路基进行长期的堆载加压或真空加压，使沉降在施工期间尽可能的完成，增强地基承载能力，减少工后由于车辆荷载的作用而引起的不均匀沉降值，达到预期处治效果。

处治有路面结构物的软基路段的地基常用措施为预压排水固结法，即布设竖直方向的排水井到天然地基内，施加一定荷载，使饱和软弱粘性上发生压密固结，减少上体体积，增强其承载能力，减少路基工后沉降。实践证明，采用该方案对高速公路路基进行预压处理，极大减少了施工后沉降，效果明显。该方法主要包括堆载预压法、真空预压法以及真空堆载联合预压法。

4.3地基沉降处治措施

用于解决地基沉降问题，常使用注浆、强夯、深层搅拌桩及碎石桩等方法，通过提高地基整体承载能力和压缩模量，从而达到降低最终沉降的效果。

在施工组织设计时，对于直径大的桩，可使用钻孔灌注桩进行成桩；而对于直径在35-40cm的桩，则使用振动沉管桩打桩机或螺旋机进行成桩。在正式施工前，应进行试桩，对设计的相关参数进行验证和修正，然后在开始全面动工。由现场试验决定采用连打法成桩还是间隔跳打法成桩。因为使用连打法成桩时，容易使相邻桩体的桩侧被挤碎，且当为粘性上时会出现路面挤压隆起的现象；而对于间隔跳打成桩，当在已成桩较硬上中加新桩时，会出现断桩或已成桩开裂等问题。通常若在软土层中成桩时，桩间距较大时采用间隔跳打法，当在已有桩间重新成桩时，桩间距应不小于7倍的桩直径。若在饱和松散粉上中成桩时，桩间距较小则不使用间隔跳打，而是按照沉管--投料--拔管的施工工序开展。

5.结束语

本文针对高速公路常见软基沉降问题进行分析，主要对软基常见沉降成因及相对应的防治措施进行了研究总结。首先对软土工程特性进行论述，以此为基础对软基沉降机理和有代表性的“桥头跳车”沉降成因进行了分析；其次，从路堤沉降处治措施、路基沉降处治措施和地基沉降处治措施三个方面对软基沉降处治方案进行了分析。

参考文献

[1]闫大江.路桥过渡段病害防治措施研究[D].西安：长安大学，2005.

[2]冯忠居，方贻立，龚坚城等.高等级公路桥头跳车的危害及其机理的分析[J].西安公路交通大学学报，1999，19（4）：33-35.

[3]尹利华.公路软土地基处理关键技术智能信息化研究[D].西安：长安大学，2011.

[4]王岭.珠江三角洲地区大面积软土地基处理方法的研究[D].广州：广东工业大学，2005.

[5]郑建光.桥头过渡段软基处理差异沉降研究[D].北京：中国地质大学，2010.