公路改扩建半幅填方路基差异沉降特性研究

杨斌

（河北交通投资集团张石高速公路保定段有限公司，河北 保定 071000）

0 引言

我国早期建设的高速公路已接近或超过设计寿命[1]，需要尽快加以修复或扩建，以保证道路行车安全。路基拓宽是旧公路改造升级的主要方式之一，但改造后的新旧路基容易出现差异沉降，影响施工质量，也是导致道路路基路面病害的主要原因，不仅会影响道路通行能力和服务水平，还会降低道路行车安全性、舒适性。高速公路路基拓宽施工的关键环节是有效控制新旧路基间的不均匀沉降。路基拼接方式、设计宽度、填方高度、填料重度等是路基拓宽施工需要重点考虑的主要因素[2-3]，在高速公路路基拓宽施工中应予以充分考虑。

1 填方路段沉降机理分析

高速公路路基拓宽常采用半幅填方路基施工工艺，但由于未对路基填方进行压实固结，土体结构强度不足，内部黏结力不符合要求，容易导致填方施工后的路基沉降出现较为明显的不均匀沉降，产生路基沉降差值，且水平位移超出合理范围[4-5]。

施工过程中，半幅填方路基压实度与时间成正比，土体变形程度随时间的延长而逐渐增大，路基沉降量也逐渐增加。在荷载作用下，路基土体孔隙中的水压降低，固结度增加。随着路基土体固结的不断发展，孔隙率逐渐减小，土体有效应力增大，最终发生压缩变形[6]。

2 工程案例概况

本文基于某高速工程改扩建工程实践，对路基拓宽施工中路基差异沉降各种影响因素进行研究。某路基土体主要为粉质壤土、黏性土和粉砂岩。路基拓宽施工时，由于荷载的作用，旧路基土体在持续应力影响下经过长时间的压实和固结，其结构稳定，沉降较小，而新拓宽的路基会产生应力，导致原有路基沉降加大[7]。

利用沉降仪对路基沉降量进行检测。根据现场监测数据，分析各因素对半幅填方施工中路基沉降差异的影响，进而制定有效的沉降控制方案。采用水平移动桩或边桩控制路基水平位移幅值，有效确保路基路堤结构的稳定性。

2.1 沉降监测

新旧路基沉降差异是指拓宽后的新路肩边沿与原有路堤中线之间的沉降差异。本研究结合某条高速公路的施工实践，选取K17+150—K17+650 段作为试验段，研究沉降差异的影响因素，具体将沉降板置于新路肩边沿与原有路堤中线位置，将侧桩布设于路基坡脚外侧1～2cm,10～12cm位置。

2.2 水平位移监测

本文根据某高速公路实际情况选用极坐标法测量侧桩位移，基于全站仪测量侧桩坐标。结合该高速公路改扩建工程实践，取第一次边桩坐标测量数据作为研究依据，求得边桩位移和坐标差[8]。

3 差异沉降影响因素分析

地质、地形、路基拓宽方案、路基填方高度、路基填料重度等因素都会影响路基拓宽施工中的新旧路基沉降[9-10]。

3.1 路基填料重度对差异沉降的影响

不同类型路基填方材料的重度不同，产生的附加应力不同，对路基差异沉降的影响也存在差异。

（1）明确填料重度与路基沉降之间的关系是研究路基拓宽施工中差异沉降问题的关键，本文以3种重度的填料为研究对象，即粉煤灰土（重度4kN/m3）、一般填土（重度10kN/m3）、泡沫轻质土（重度17kN/m3），进行路基填方试验，找出填料重度与路基差异沉降之间的关系。

（2）填料重度与路基沉降成正比，且路基沉降差值呈线性变化。

（3）当采用重度为4kN/m3的填料进行填方施工时，路基差异沉降最大值为1.2cm；当路基填料重度为10kN/m3时，路基差异沉降最大值为2.4cm；当路基填料重度为17kN/m3时，路基差异沉降最大值为3.8cm。前两个沉降值相差1.2cm，后两个沉降值相差1.4cm。显然，重度小的填料可以有效降低填方施工带来的路基沉降差值。可见，半幅路基拓宽施工可以采用轻质泡沫填料以减轻新建路基的重量，降低施工后路基表面的沉降差异。

3.2 拓宽方式对差异沉降的影响

工程实践中，高速公路路基拓宽有两种常见方式：一侧拓宽和两侧拓宽。在典型横断面设置测点，结合各种拓宽方法和工程实例分析半幅路基的沉降变化规律。路基高4m，坡度为1:1.5，回填土为普通回填土，分别通过设置沉降板和侧桩来控制土体沉降和土体水平位移。

3.2.1 一侧拓宽

在一侧路基拓宽试验段设置测点，通过沉降值测定仪测得4m,8m,12m,16m 共4 种拓宽宽度下的路基沉降和一侧拓宽不同宽度时路基顶面最大差异沉降变化，分别如图1、图2所示，路基土体水平位移如图3所示。

图1 一侧拓宽不同宽度时路基竖向沉降曲线

图2 一侧拓宽不同宽度时路基顶面最大差异沉降变化

图3 一侧拓宽方案不同宽度时路基水平位移曲线

（1）由图1、图2 可以看出，拓宽宽度与路基沉降大小成正比。路基拓宽宽度为4m 时，路基沉降差最大值为5.94cm；路基拓宽宽度为8m 时，路基沉降差最大值为11.66cm，沉降差增加5.72cm；路基拓宽宽度为12m 时，路基沉降差最大值增加4.17cm；路基拓宽到16m时，沉降差最大值增加4.15cm。可见，增加路基拓宽宽度可以减小路基沉降差异变化幅度。

（2）从图3 可以看出，拓宽宽度与水平位移成正比例关系。

（3）根据上述分析可知，当拓宽宽度为8m 时，新旧路基之间的沉降差异、水平位移均不明显，可见，拓宽宽度最佳值为8m。

3.2.2 两侧拓宽

两侧拓宽方式采用与一侧拓宽方式相同的测点布设方式。宽度分别取4m,8m,12m,16m，同时路基结构对称分布，每一侧的拓宽宽度取总拓宽宽度的1/2，即2m,4m,6m,8m。

（1）采取两侧拓宽施工方案，路基沉降曲线、最大不均匀沉降和水平位移与一侧拓宽大体相同。

（2）如果拓宽宽度相同，采用两侧拓宽施工方案时，新拓宽路基与原有路基之间的沉降量差异不大，新路基带来的附加应力均匀分布在路基两侧，新拓宽路基与原有路基之间的不均匀沉降较小。

（3）比较两种路基拓宽方式可知二者各有优缺点。对于同样的拓宽宽度，两侧拓宽更有助于道路结构荷载均匀分布。总体上，两侧拓宽对道路运营影响更大，增加了施工难度和工程成本。

3.3 填土高度对差异沉降的影响

填土高度、填土自重也会影响路基沉降，且填土高度与路基沉降成正比。为研究填土高度与路基沉降之间的具体关系，本研究假设路基拓宽宽度为8m、填料为普通填料，路基边坡坡度为1:1.5，分别确定2m,4m, 6m, 8m 共4 种填土高度对应的路基沉降变化曲线、填土高度与路基顶面沉降差异最大值的关系、填土高度与路基水平位移关系，如图4～图6所示。

由图4、图5 可知，对于拓宽后的新路基，其填土高度与沉降量、路基沉降差异成正比。4 种填土高度对应的路基沉降差最大值分别为7.3cm, 13.1cm, 20.3cm,23.4cm，结果显示，填土高度与路基沉降成正比，由于受填土自重的影响，路基沉降差异先增加后减小，且沉降差值最大位置向外偏移。从图6可知，填土高度与路基土体水平位移成正比，且新路基水平位移的影响大于旧路基。在实际操作中，如果填土高度过高，可以采用“缓边坡”以保证整条道路的稳定性，也可以通过增加路面压实度来控制水平偏移。

图4 不同填土高度时拓宽路基竖向沉降曲线

图5 不同填土高度时拓宽路基顶面最大差异沉降变化

图6 不同填土高度时拓宽路基水平位移曲线

4 结论

基于以上研究，可总结出以下几点路基拓宽施工阶段的优化措施：

（1）尽量选用重度小的填料。填料重度越小，拓宽施工对路基不均匀沉降的影响越小，例如，泡沫轻质土的自重很小，用作半幅填方施工不会导致路基沉降差异过大，另外该类填料成本较低，可以有效提高施工经济效益，同时保证施工质量。

（2）路基拓宽最佳宽度为8m，该宽度对应的路基沉降差异、水平位移均在最佳范围内。对于较窄的路基可以采用一侧拓宽施工方案，反之应该选择两侧拓宽施工方案，两种方案各有优缺点：一侧拓宽施工方案对交通的影响小；两侧拓宽施工方案对应的路基沉降更加均匀，新旧路基沉降差异不明显。

（3）最佳填土高度为6m，当填方高度超出6m 时，路基沉降、水平位移明显增大，严重威胁路基边坡的稳定性。

（4）半幅填方施工阶段，回填土的压实度值取决于压实设备功耗，压实次数取决于土体类型：砂土压实 2～3 次，亚砂土压实 3～4 次，黏土压实 5～6 次。在压实度满足要求的情况下，含水量不宜过高，每层填土厚度范围为30～40cm。