基于特重交通荷载下新旧路基拼接差异性沉降分析研究

屈增辉 中交一公局华南工程有限公司

1 前言

随着国家经济持续快速增长，交通基础设施的不断改善，公路建设更是突飞猛进，很多现行的满负荷道路势必需要改扩建，道路的拓宽和搭接必定会存在新旧路基相互作用的问题。加宽新路基导致的失稳破坏、新路基不均匀沉降导致的路面破坏、加宽新路基导致的边坡损坏等，这些路基病害影响着公路的使用寿命，极大降低路面的服务性能，增加后期道路的养护成本，给行车安全带来了较大的风险。因此，对道路拓宽过程中新旧路基拼接差异沉降产生机理及其防治措施已成为公路改扩建过程中的一个重要研究课题。

2 工程概况

省道S540线平冈至阳江港段改建工程路线全长8.412km，全线新建中桥2座，涵洞37道，设计时速80km/h，采用双向四车道一级公路标准建设，路基宽度24.5m，新建路段采用28cm水泥混凝土路面+改性沥青稀浆封层+透层+18cm 5%水泥稳定碎石基层+18cm 4%水泥稳定碎石底基层+15cm级配碎石垫层。

特别是近年来现行省道S540线平冈至阳江港段公路重交通量日益增长，根据交通量调查，该线路属于特重交通等级。现状路面经过多年的超负荷运营，既有路面局部路段存在严重破损，全线断板错台严重，主要的病害有破碎、跳车颠簸、裂缝、板角断裂坑洞、面板不均匀下陷、板脱皮露骨等，超负荷重载重车成为路面损坏的主要原因，此外沿线局部排水设施破坏，缺乏养护也是因素之一。

本文以两车道加宽为四车道的一级公路拼接加宽为研究对象，分析单侧加宽的沉降特性，基于特重交通荷载下新老路基拼接差异性沉降对路面的影响，提出新老路基采用碎石土填筑，结合老路基边坡台阶开挖，铺设土工格栅加筋，超载预压多项举措来共同处治路基不均匀沉降。

图1 新旧路基示意图

3 沉降观测

3.1 观测方案

综合考虑地基处理形式、填土高度、施工监测要求等因素，选取水泥搅拌桩+砂垫层+碎石垫层+土工格栅+碎石垫层+土工格栅+路基压实层+等载预压为对象，分别在路肩路中埋设沉降板，布设2个不同水泥搅拌桩间距（1m、1.5m）的观测断面。控制路堤的填筑速率，结合现场实测数据，加速地基沉降和固结，达到安全系数稳定要求，确定预压卸载施工路面的时间，预计工后沉降的发展。

3.2 埋设及观测要点

按照设计要求，沉降板由具有一定强度和刚度的钢板、测杆和保护套管组成，测杆与沉降板焊接为一体，保护套采用塑料套管。在埋设地点挖60cm×60cm×60cm的土坑，底板应垫平压实，沉降板在制作过程中应与测杆保持垂直。鱼塘和软土路基段沉降板在填筑砂垫层之后，填土之前埋设完成。测杆接长方式采用螺纹连接，套管也相应接高，套管尺寸能使标尺进入测头即可，连接以后应立即测量标高，帽盖封住套管口，避免填料落入管内影响测杆倾斜影响数据，测杆周边用小型夯实机夯实，悬挂标识牌，以作警戒，避免触碰，影响数据真实性。

图2 沉降板埋设示意图

3.3 观测结果及分析

在K24+775、K24+820两个断面的路基中心和路肩位置的桩顶和桩间土位置分别埋设沉降板，经过数据整理，得到不同桩间距填土荷载、时间与沉降曲线如图3、图4所示。

图4 K24+820（桩间距1.5m）断面中心桩顶及桩间土沉降-时间-荷载过程线

沉降数据分析：

（1）随着路基填土荷载的增加，桩顶和桩间土沉降数据逐渐增加，桩间土沉降略大于桩顶沉降。

（2）随着桩间距的增加，沉降量相应增大。1m桩间距处理段中桩顶与桩间距沉降平均约为4cm，1.5m桩间距处理段中桩顶与桩间距沉降平均值约为6cm。水泥搅拌桩加固了软土层，桩间距的调整，可以有效控制路基的不均匀沉降，通过水泥搅拌桩处理过的软土层能够承受较大的承载力。

（3）超载预压期沉降所占比例较大，可以有效减少工后沉降。

4 沉降原因分析

4.1 地质水文条件

本项目沿线地表水系统较发育，水量较为丰富，主要以河沟、鱼塘的形式分布。水位受地形地貌、气候条件季节性等因素而变化。沿线属冲积平原，表层分布1.50m～3.20m厚的人工填土层，其下分布有淤泥质黏土层，大部分地段软弱土层分布厚度较大，工程地质条件较差。岩层的产状、结构、裂隙发育，河流洪水位、降雨量、温湿度、地下水等，均需制定相应的防排水及加固措施。对于水泥混凝土路面，过程中沿线排水设施布置不完善，经超负荷重载反复作用，路面遭到破坏，地表水下渗、掏空、加剧裂缝扩张并进一步导致路面的破坏。

因地制宜的路表排水系统设计，以及路基土层的应力、自身重力远小于固结应力时，相当于为路基路面结构及车辆荷载预留了较大应力空间，保证了路基的长期稳定。

4.2 施工方面的原因

（1）施工材料管控不到位、过程排水、加固措施不合理、施工人员对填筑厚度、压实度不要求，质量不佳，极易导致路基失稳。

（2）路基拓宽过程中，对新老路基结合部范围内的垃圾土、种植土、草皮等杂物清理不彻底，填料的材质透水性、质量存在差异，导致不协调变形，为路基失稳和路面开裂等病害留下了隐患。

（3）台阶的开挖，未设置合理的开挖级数和开挖尺寸，大部分根据经验而定，未经计算分析。台阶尖部没有足够的抗尖强度抵抗剪应力，没有足够的宽度抵抗位移引发的扭转力，使得路堤的沉降未在每个台阶被分层消除。

（4）旧路基两侧长期经雨水侵蚀较为脆弱，新旧路基结合部施工位置受地形限制，特别对于加宽渐变路段，很难形成整体，大型压路机无法施展，压实度很难保障，极大降低了抗变形能力。旧路加宽后，行车荷载分配到新填路基上，在重车荷载力的传递作用下，进一步加剧工后沉降，新旧基层结合部强度不足，从而产生差异沉降，出现裂缝。

（5）拓宽后的路基压实度不够，很多改扩建路基取土时，直接就近取料，就造成了土质的不均匀并且杂乱，和实验室确定的标准击实试验所得的压实度控制量有较大的出入，最终可能导致拓宽路基的压实度不满足设计要求。

4.3 路基填料

路基填料为一般土体，很多拓宽用土为就近取土，标准试验土样和现场实际施工点存在土质差异，土质杂质粗粒径过多，含泥量过大，含水量不均，施工每层填土过厚，压实遍数不足。填料质量不合格，施工不规范导致路堤边坡容易失稳。

除了有效控制路基的施工质量、工后沉降外，局部路段路侧排水设施被破坏导致路面积水不能及时排干、加之受经济条件限制，缺乏正常的养护和维修，也是路面破损严重的因素之一。

4.4 新老路基刚度变化不一

新老路基结合部，新材质、厚度、质量等和原有路面结构不同，在结合部位，产生一个界面。老路基长时间承受荷载后，已经经过多次的振动，冲击，并且经过多年的自然沉降，其已经非常接近或者达到其最大干密度，其自身较为稳定。而新填筑路基，即使严格的控制施工质量，由于两者之间的材料不同，难免会产生沉降差异。

4.5 其他原因

（1）工程管理不严格。

（2）工期较短，新扩建路基沉降未到位。

（3）行车荷载原因，路基扩建后，新扩建路基作为重车道使用，其所受荷载要大于原有路基所受的荷载，可能引起沉降的发生。

5 处理措施

（1）综合考虑各方面因素，根据现场实际选取合适的地基处理方式并保证其后期的施工质量，复合地基法（水泥搅拌桩），在水泥搅拌桩处理段设置超载预压可以使地基沉降在较短的预压期完成达到稳定状态，从而有效减小工后沉降。

（2）边坡削坡和台阶开挖，路基边坡坡度大多选用1∶1.5，确定开挖范围、坡度、深度及土质分层情况，旧路基削坡越陡，路基顶面沉降越大，根据不同路基处理方式、路基填料等应采取不同的台阶开挖施工方式，过程中避免诱导坍塌或者孤石跌落。老路基削坡清除老路边坡一定深度的不合格土，草皮杂物等，另一方面也为新路堤地基施工提供工作平台。开挖台阶注意土层的变化，尽量保持与老路基土层厚度一致，使其更好的有效结合，增强新老路基的接触面积，为后期土工材料提供锚固平台，相互制约，提高路基整体稳定性。必要时人工削坡，减少超挖或者欠挖，施工过程注意控制填筑速率，设置临时排水设施，避免冲刷。

（3）土工合成材料的采用，采取最经济合理的方案，路基填土达到一定高度，选取哪一种（土工格栅、土工织物、复合材料）注意铺设工艺及搭接方法，铺设具体到哪一层，铺设后的质量检测等，充分发挥其嵌锁作用。该项目采用土工格栅，土工格栅具有多孔结构，其网格与路面材料掺和在一起，提高土体抗拉强度，将上下不同粒径填料隔离开来，防止填料下陷，形成稳定整体，有效分散传递荷载，提高地基的承载力、路基的稳定性，路面的平整度，防止路面产生裂纹。

（4）必须分层填土，保证宽度，分层夯实，控制路基压实度的同时，填方高度，将原土路肩重新碾压，减小工后沉降，土质新老路基尽量保持一致。

（5）控制填料，采用透水性较好的材料如砂砾、碎石等，适当的缓冲，碎石土具有沉降量小，压缩模量大的特点，换填相同填筑层的情况下，采用碎石土填筑新路基底部层位，比填筑较高层位，减少沉降的效果较好，同时可以采用轻质填料如粉煤灰等，提高路基承载力，荷载会小于产生下沉量的应力，良好的力学性能能较好地解决过度沉降和差异性沉降，效果明显。

（6）严格控制施工质量，新路基施工时，对于各项指标要进行严格控制，从原材料到施工工艺上，都应把好质量关，降低沉降风险。

6 结束语

施工过程中，基底处理是基础，保证施工质量，不偷工减料、确保填土厚度；在新老路基结合部位，提高压实度要求，加强对一切杂物的彻底清理；控制开挖面的尺寸，填筑新路基时要注意减小机械对老路基的扰动破坏；合理控制土工格栅长度、错固程度、格栅上下填料料径，以保证土工格栅得到有效的利用。

施工时还要注重排水措施，保证路基免受雨水渗透、冲刷等的影响。

无论采用何种处治措施来削减加宽工程中的病害，都需要施工过程质量的保证。