高速公路路基拓宽不均匀沉降监测与分析

柳建明

（山西路桥第二工程有限公司，山西 临汾 041000）

0 引言

由于近年来我国经济的快速发展，车辆大型化，交通量增长远超预期，很多早期建设的高速公路已不能适应交通运输的要求，急需进行拓宽改建。高速公路改扩建工程一般采用加宽路基的方式进行设计与施工，施工中新旧路基沉降变形存在较大的差异性。新建路基由于与旧路基情况不同，在施工过程中和通车后会出现较大的沉降，与旧路基沉降存在较大差异，导致路基出现不均匀沉降。因此，高速公路拓宽改造工程要重点对路基的不均匀沉降进行预防和处治，尤其是对软弱地基路段必须进行重点设计。基于山西省内某高速公路的拓宽改造工程实践，对原有旧路基、新旧路基结合处和新路基的沉降进行了观测，分析了拓宽后原有旧路基与新路基的沉降情况，对其沉降变形随时间的变化情况进行了统计，分析了两个监测段路基不同部位的累计沉降变化规律，对拓宽后的路基施工质量进行评估。

1 工程概况

山西省内某高速公路为早期建设，建设标准为双向四车道。由于近年来交通量增长迅速，且向车辆大型化发展，原有路面结构已不能满足日益增长的行车要求，拟进行拓宽扩建改造工程。设计采用两侧拓宽，扩建后按照双向八车道、四车道高速公路标准进行建设，全线长度44 km。

该路段不良地质主要为软土和湿陷性黄土，其中软土主要分布在K23+430—K26+640、K30+220—K34+450、K36+550—K38+240 等路段。该路段的软土主要呈深灰色，主要成份为淤泥和粉质黏土，具有易被压缩、含水量高、强度低等特点。湿陷性黄土主要分布在K9+380—K12+620、K15+330—K17+240、K27+150—K28+980、K40+110—K41+350 等 路 段。该路段湿陷性黄土颜色为黄褐色，具有可塑性，内部孔隙发育，导水性强，弱湿陷性等工程特点，土层分布厚度一般为0.8～3.1 m，最厚处达4.2 m。施工路段地下水位较高，且存在上层滞水。

2 改扩建路基拓宽差异沉降计算方法分析

2.1 理论基础

高速公路路基拓宽施工后，原有旧路基与新路基的沉降存在很大的差异性，虽然在施工过程中采取了加固措施，但是二者的沉降仍然存在明显的差异。原有旧路基在运营使用一段时间后，其固结沉降已基本完成。在高速公路路基进行拓宽施工过程中，由于改变了旧路基上原有的荷载作用，造成旧路基出现了第二次沉降变形。同时，新建路基只在自重作用下，至施工结束前所产生的沉降称为第一次沉降；完工后，在自重和车辆荷载的复合作用下，新建路基所产生的沉降称为第二次沉降[1]。

2.2 拓宽路基差异沉降计算方法

对拓宽路基差异沉降计算方面的研究，主要包括最大差异沉降计算和路基沉降随时间的变化规律[2]。现阶段，对最大差异沉降计算的研究已比较成熟，预估的误差较小。而对路基沉降随时间的变化规律的研究还有些欠缺，由于不同填土物理性质的差异、施工工艺的差异较大，尚不能形成统一的结果。目前对拓宽路基差异沉降的研究通常采用反分析法，即通过沉降监测得到的数据进行分析，得出经验公式，进而推断随时间变化路基沉降的变化规律。在工程实践中通常采用经验系数法进行路基沉降计算，确定路基主固结沉降，主要计算方法和计算公式如下。

通过对e-p 曲线进行分析，分析确定主固结沉降计算公式如式（1）：

式中：n 为路基沉降分层计算的层数；Δhi为路基分层后第i 层厚度，一般为0.5～1.0 m；eoi为路基分层与第i 层路基土自重稳定以后的有关孔隙比；eli为路基分层与第i 层路基土在附加荷载及自重稳定以后的有关孔隙比。

选取压缩模量作为研究对象，分析确定主固结沉降计算公式如式（2）：

式中：ΔPi为第i 层路基分层中点应力增值；Esi为第i 层路基分层压缩模量值；Δhi为第i 层路基分层厚度，一般为0.5～1.0 m。

以上计算方法主要以每层沉降变形作为分析对象，没有充分考虑各土层之间的相互作用，因此得出的计算结果会存在较大的误差。结合路基实际情况，进行总结分析，充分考虑各土层之间的相互作用，得出了较为准确的计算公式，计算方法如式（3）：

式中：S工后为路基施工后的总沉降量；S新总为新建路基的总沉降量；S旧总为旧路基的总沉降量；U't为拓宽施工之前的旧路基固结度；Ut为拓宽施工之后的新路基含有的固结度。

由于在研究过程中旧路基的第一次沉降已经完成，所以U't=100%，原计算公式可简化为：

式中：S拓总为新建路基的最终沉降量与旧路基第二次沉降之和。

3 高速公路改扩建路基加宽不均匀沉降控制方法

3.1 地基加固处治方法

本项目所在路段存在软土地基和次生湿陷性黄土，易出现不均匀沉降，设计中拟对该区域采用CFG 桩- 网复合地基进行处理，组成结构见图1[3]。CFG 桩- 网复合地基主要由土工格栅、褥垫层、CFG桩以及填土组成的复合结构，由于桩端直接落在持力层，可有效提高地基的承载能力，降低路基不均匀沉降。另外，在土工格栅的作用下，可以有效改善地基的受力状态，使路基土均匀受力，减小软土层的压缩变形，进而达到减少路基土沉降变形的目的。

图1 CFG-网复合地基

3.2 拓宽路基沉降控制方法

原有旧路基在车辆荷载及其自重的长期作用下，已趋于稳定，完工后所产生的二次沉降变形很小。而新建路基由于尚未固结完成，还需要一段时间才能够变形稳定，而且相比旧路基的变形量和变形速度均较大。

为了降低由于新旧路基沉降变形差异所产生的不均匀沉降，必须在施工中采取措施进行防治。首先，在路基拓宽过程中，必须对填挖结合段开挖内倾台阶。路基填筑过程中采用分层填筑、分层压实、分层检验，确保压实质量。另外，在路基顶部铺设双层钢塑土工格栅，起到加筋作用[4]。在台阶的作用下可以增强钢塑土工格栅的加筋效果，可以增大土体的抗拉能力。将旧路基上没有压实的不稳定填土进行换填，再次压实保证新旧路基结合处的稳定性。

4 高速公路改扩建路基加宽段沉降监测分析

4.1 路基沉降监测点布设

图2 路基横断面与沉降监测点布设

该项目采用双侧加宽，观测过程中重点对旧路基、新旧路基结合处、新路基边缘处3 部分分别进行观测，并对观测结果进行记录分析，确定沉降变形情况[5]。选取软土地基沉降监测路段作为研究对象，监测点每个断面布置3 个，即在旧路基、新旧路基结合处、新路基边缘处上各布设一个。本文选取两个测段进行试验分析，其中第一测段监测点布设编号为1-1 号、1-2 号和1-3 号点，第二测段监测点布设编号为2-1 号、2-2 号和2-3 号点，路基横断面与沉降监测点布设详见图2。

4.2 路基沉降监测数据收集与分析

通过对所选两个监测路段测量数据进行收集，分别对旧路基、新旧路基结合处、新路基边缘处的累计沉降量随时间变化的规律进行分析，并绘制变形规律曲线详见图3～图6。

图3 第一测段路基累计沉降时间曲线

图4 第二测段路基累计沉降时间曲线

通过对图3 和图4 所示累计沉降量时间曲线进行分析，可以看出第一测段与第二测段路基沉降趋势基本相同。其中1-1 号点和2-1 号是旧路基累计沉降随时间变化曲线，从曲线走势上可以看出累计12 个月旧路基的累计沉降量低于2 mm。通过对图5和图6 所示累计沉降速率时间曲线进行分析可以得出，两条曲线基本接近一条直线，这说明旧路基的沉降量很小，且基本趋于稳定。

通过对图3 和图4 所示新旧路基结合处监测点1-2 号点和2-2 号累计沉降量时间曲线分析可知，在一年12 个月监测中1月至7月监测点处的累计沉降量增加到9 mm 左右，且前期路基沉降增长速度较快；而后5 个月沉降量增加较小，其中2-2 号点后5 个月累计增加约1 mm，而1-2 号点相对较大，累计增加约2 mm。通过图5 和图6 中累计沉降速率时间曲线可以看出，二者增长速率均明显放缓，且逐渐趋于稳定。

图5 第一测段路基累计沉降速率时间曲线

图6 第二测段路基累计沉降速率时间曲线

1-3 号和2-3 号点为拓宽后新路基边缘位置的监测点，通过对累计沉降时间曲线和累计沉降速率时间曲线分析可知，其沉降变形规律与新旧路基结合处沉降变化基本一致，但是监测所得到的最大累计沉降量不同，1-3 号和2-3 号点累计沉降值明显高于1-2 号和2-2 号点，且第一测段最终累计沉降量明显高于第二测段。

5 结语

通过对在建高速公路拓宽改建后的旧路基、新旧路基结合处、新路基边缘处沉降进行观测，并对路基累计沉降变形随时间变化情况进行分析，绘制了累计沉降时间曲线和累计沉降速率时间曲线，统计分析后得出以下结论：

a）原有旧路基所产生的累计沉降量较少，这主要是旧路基经过多年的运营使用，已经变形稳定，虽然施工改变了路基上部的荷载，但是旧路基在产生较小沉降后很快固结稳定。

b）新旧路基结合处所产生的沉降变形前期较大，后期逐渐稳定，且累计沉降值最高达到了9 mm，说明采用CFG 桩- 网复合地基、土工格栅、挖台阶等加固方法有效提高了路基的承载能力，达到了预期效果。

c）新路基边缘处的累计沉降超过10 mm，最高累计沉降值达到16 mm，较大沉降会造成路面结构的破坏，可能在路面上出现纵向裂缝，必须进行处治，比如提高路基压实度、提高路基加固宽度、采用土工合成材料加筋土等技术进行优化改进。