高速公路高填方湿陷性黄土路基拓宽不均匀沉降处治技术研究

陈莉（中铁十八局集团第四工程有限公司，天津300350）



高速公路高填方湿陷性黄土路基拓宽不均匀沉降处治技术研究

陈莉
（中铁十八局集团第四工程有限公司，天津300350）

[摘要]本文将我国某地区的某高速公路其中一段路段作为实验对象，通过对它的研究实验结果，分析了在高填方浅层湿陷性黄土路基拓展工程中所出现的不均匀沉降现象，并阐述了应对该现象的两种处治技术——砂桩法与预压法。

[关键词]高填方浅层湿陷性黄土；高速公路；路基拓宽工程；不均匀沉降

高速公路拓宽工程目前十分常见，但是在此工程中很容易由于重整新老地基而出现道路横坡比变化、新老路基结合处滑移、路面结构破损或者新老路堤结合不良等严重病害，而新老路基的差异性沉降就是这些病害产生的根本原因。

一、工程概况

1.路基拓宽项目基本工程概况

该公路是某省高速公路的西段，是省内高速公路网络的重要组成部分。2006年，该高速公路作为跨省域交通基础的建设规划项目而开工，线路全长200.50km，行车速度为100km/h，路基宽度为26m，在该省及周边省份的高速公路网络中占据着相当重要的地位。

2015年，该高速公路A路段将实施旧路改造加宽工程，因此，在此次工程中，A路段将充分利用到原一级公路所采用的线位，为A路段两侧加宽翻新。

2.地貌条件

该公路A路段所在周边地区的地貌主要以侵蚀中山为主，其海拔在800～1400m以上，由于山峰高程超过2000m，所以某些路段存在35°～50°左右的谷坡坡度，山势较为陡峭。该路段地貌的一大特色就是其土质均为山坡积土，而且以黄土类粉质亚砂土为主要成分，局部路段则主要以河沟洪积冲积层砂砾为主，所以该路段的地基具有湿陷性黄土属性。

另外，它的水文地质情况较为简单，整个工程沿线的地下水赋存与分布较为丰富广泛，主要受到地质地貌构造、岩性、气候与古地貌条件所控制。而且依据其地下水的赋存方式与水力学特征来看，该区域的水文地质状况主要包含了基岩裂隙水与松散沉积物孔隙水两种类型，且水位埋深都在1.5～3.5m范围内。

3.气候条件

该公路所处地区冬季寒冷，极端最低气温可达- 31.5℃。十月末段就开始降雪，到第二年四月才完全解冻，所以该地区的黄土地质也呈现独特的非自重湿性属性。再者，丰富且较高的地下水水位与冬季的超低气温也为公路路基的拓宽工程带来困扰，必须对它进行快速处理，才能避免由于表层黄土湿陷性沉降和地基土冻胀效应所带来的新老路基差异性沉降。

二、新老路基差异沉降实验

1.实验路段概述

实施该高速公路A路段的新老路基差异沉降实验，目的就在于探究解决这种沉降的处理方案。本实验基于该高速公路的9个路段开展实验，本文就截取了A路段中的某一段进行分析，桩号分别是K50+500～600以及K50+600～700，均要实施双侧拓宽，且填方高度在6.5m。两路段都是典型的湿陷性黄土浅层，湿陷属性等级I级，属于轻微湿陷性黄土路基结构。

2.数据监测标准

首先，在填土前要按照测试初始数据进行记录。其次，每填一层土都要实施连续3天的监测，如此监测3次共9天。再次每隔一周监测一次，持续3次。最后，每隔一月监测一次，持续监测3次。

根据上述数据，由于是针对湿陷性浅层黄土的路基拓宽项目，所以选择了可处理500cm深度、桩径在40cm左右的砂桩三角布桩方法，保持桩间距离在1.2～1.5m左右；另外还选择了预压法，即在对路基拓宽施工后的填筑完成之后在新老路堤的结合处进行预压，一般预压高度都在3.5～4m左右。

三、基于砂桩法的高填方湿陷性黄土路基拓宽不均匀沉降处治技术

本文对该高速公路A路段的路基拓宽工程选择了砂桩法与预压法两种方法来解决不均匀沉降问题。其中，应用砂桩法的路段为K50+500～600段，所采用砂桩直径为40cm，它从原地面起建设，桩长为5m，桩间距保持在120cm，采用了梅花布桩方式。该路段的施工从路基外侧逐渐向旧路方向延伸，并采用了级配粒径为＜10cm的砂砾。如图1：

图1 K50+500～600段砂桩法施工工程示意图

1.挤密砂桩的施工

本文采用了砂桩法中的挤密砂桩对K50+500～600段进行施工。挤密砂桩在成桩过程中会通过桩管对周围的土层产生较大的横向压力，这种压力挤压了桩管周围砂土与粉土层之间的孔隙比，让土层的密实度有所增大，这样就可以一定程度上降低黄土的湿陷效应。同时，在成桩后要进行排水减压工序。该路段地下水较为丰富，要在土体中建立有效的排水通道，保证控制填土过程中的超净水压力不超出范围而导致对地基固结沉降的加速。另外，砂桩周围土层密实度的增加也取代了原有的不良地基土，形成了结构更为复杂的复合型地基，提高了地基的承载力，也降低了地基沉降的可能性。

基于上述条件，砂桩法在此处设置了两个观测断面，它们分别在K50+500（主观测断面）与K50+550（辅助测断面）两段。在砂桩施工完毕后，对砂桩强度采取了静力触探法来实施检测，设置6个检测点。经测验结果，最高强度为255kPa，最低强度为190kPa，平均强度保持在235kPa。

2.对沉降变形的结果分析

基于原位测试的结果发现，K50+500段的新老路肩在不同程度上出现了沉降伴随填土高度、沉降深度以及沉降时间而变化的曲线状态。这里假设深度为20m处的地基土层是不沉降的，就可以采用管底标高方法对磁环标高展开推算。该计算方法对20m以下土层的沉降情况不予考虑。同时，对K50+550段的老路肩深层沉降管进行修复。因为该段的沉降管出现了堵塞现象，只能检测到地下5～8m左右，所以这里假定6m处为不动沉降基准点，就可以计算出地基沉降与实际沉降的沉降值是不符的，因而所测得的沉降量就出现偏小的现象。

在对K50+500断面进行高填方填土过程中，随着填土高度与时间的不断增加，地基的沉降也会随之加大，直到填土完毕以后，沉降才可能趋于稳定。但通常情况下，要等填土、沉降测试完毕约20天左右，沉降才能达到完全稳定状态。另外据观测，在K50+500段，其新路肩的最大沉降量大概在45mm左右，但它在15m处依然伴有较大沉降，这说明在20m以下的距离依然有沉降发生。所以根据分析可以得知，如果20m以下的沉降量不能稳定，就证明其实际的沉降量一定会大于45mm。另一方面也对老路肩的沉降量进行了测试，其最大沉降量为21mm，可见新老路肩之间的沉降差异已经超过20mm，这一结果显然不符合现实状况。经查明，是由于后期路堤填土所产生的沉降未被记录。如上文所提到，K50+550段的老路肩深层沉降管出现了堵塞现象，所以只能记录到6m深度范围的沉降效果。在对6m深度进行了老路肩的沉降量测试发现，沉降量达到25mm，这说明老路肩的沉降量应该超过25mm。

综合以上两方面考量可得出结论，K50+500～600段的新路肩沉降＞45mm，老路肩沉降＞25mm。

3.基于孔隙水压力的沉降结果分析

由于地下水活跃，所以K50+500与K50+550两断面都出现了不同时间段的孔隙水压力随填土荷载所发生的变化曲线。但是也发现，孔隙水压随填土荷载所发生的变化关系规律性并不强，这是因为对砂桩加载完毕后孔隙水压力也逐渐消散的缘故，也说明了该土层中的土体快速完成了排水固结。这一效应也延缓了路基土层的沉降速率，并在孔隙水压力完全消失之后，沉降也趋于稳定。

四、基于预压法的高填方湿陷性黄土路基拓宽不均匀沉降处治技术

1.超载预压处理

K50+600～700段采用的不均匀沉降处治技术是超载预压处理拓宽部分地基。根据施工要求，要在路基填筑结束后对新老路基的结合处进行超载预压，其预压高度保持在3.5～4m左右，预压时间则设置为100天。由于在长期的预压作用下，湿陷性黄土土层会出现孔隙率降低且湿陷效应改善的结果，所以该段地基也可以在超载预压的作用下实现提前固结，明显减小施工后新老路基之间的差异沉降现象。本工程中依然为K50+600～700段设置两个断面，即K50+600辅助观测断面以及K50+650主观观测断面。

2.施工后对沉降变形结果的分析

在施工以后对K50+600与K50+650两预压段断面进行地基分层沉降的荷载测试，发现随着沉降荷载与实践的变化，其沉降曲线也会随之变化。另外，地基分层沉降也会跟随所沉降的深度而出现曲线变化。

较为重要的一点是，基于预压法路基预压段沉降明显比砂桩法处理后的路基土层沉降更大，所以基于预压法下的沉降稳定时间要比砂桩法处理过的路基土层沉降稳定时间更长，需要约60天时间才能趋于稳定状态。

3.路基水平位移结果的分析

对K50+600～700段路基进行了水平位移随深度变化曲线的分析发现，在对路基拓宽的路堤填土过程中，拓宽路基部分的整体位移量不会太大，最大侧向位移也不会超过2mm。如果所施加的预应压力超载，则其侧向位移可能会增加到7～10mm左右，但是在超载作用下，路基的沉降变化曲线依然会保持在稳定状态，这就说明K50+600～700的路基是相对较为稳定的，它发生路基失稳而被破坏的可能性很小。

本文简要对该公路A路段的K50+500～600与K50+600～700段高填方湿陷性黄土路基应用了砂桩法与预压法两种路基拓宽不均匀沉降处理方法。在实验与方法实施过程中发现，砂桩法在处理地基沉降方面的效果明显优于预压法，这说明砂桩法对于增加路基的抗剪切强度，抑制横向及侧向位移压力是更为有利的。再者，砂桩法的砂桩挤密施工可以快速增加土层的密实度，加大路基的承载力，这也是预压法所不具备的。所以考虑到高速公路的严格工期要求，砂桩法应该更符合高速公路拓宽工程实际需要。

参考文献：

[1]丁录玲.高速公路拓宽工程新老路基不均匀沉降计算与对策分析[D].东南大学，2010：33- 35.

[2]王健.高速公路高填方湿陷性黄土路基拓宽不均匀沉降处治技术[J].河北建筑工程学院学报，2014，32（4）:11- 18.

[3]徐婧.山区高速公路拓宽路基不均匀沉降处治技术研究[D].长安大学，2013：34- 51.

[中图分类号]TU

[文献标识码]A

[文章编号]1673- 0046（2016）1- 0148- 03