基于土体孔隙介质的高速公路拓宽新路基沉降分析

汤 轲

（广西路建工程集团有限公司，广西 南宁 530000）

0 引言

目前，国家针对高速公路的发展状况，已经从过去不断新建高速公路转变为改扩建项目与新建项目并存的建设局面，甚至把发展重点从新建高速公路转移到高速公路改扩建项目[1-2]。在高速公路改扩建项目落实过程中，部分施工环节隐藏着许多对工程建设不利的因素，例如工程监管不到位，施工人员偷工减料、素质参差不齐，高速公路改扩建项目管理相关法律建设滞后、管理体制不健全等，造成高速公路项目质量低劣[3]。此外，改扩建项目施工结束后，公路新旧路基之间的固结程度存在很大的差异，随着使用时间的推移，在交通荷载的作用下，新旧路基之间将产生很大的沉降差异，而沉降差异过大将导致路面结构开裂塌陷，严重影响高速公路的通行安全和使用寿命，并且大大增加了公路维护费用[4]。

那良隧道单侧原位扩建项目位于广西河池市大化瑶族自治县羌扜乡那良村西南侧约400 m，属剥蚀低山地貌，地形起伏较大。隧道进出口端主要由粉质黏土、碎石、全～强风化砂岩及强风化碎裂状砂岩组成，岩质较软，结构面发育，薄夹中厚层状构造，岩体较破碎；洞身段主要为中风化砂岩及碎裂状砂岩，岩质较软，裂隙很发育，多呈闭合-微张开状态，力学强度较低，抗风化能力低，工程地质稳定性一般。在该地基上修筑的高速公路极易出现路面沉降问题，这将严重影响公路的通行效率，降低公路运营商的服务水平。因此，对该地区不同土层地质的公路路基进行研究，分析路基沉降差异性，对保证高速公路稳定性具有重要意义。

本文结合那良隧道单侧原位扩建专项施工方案，从路基变形机理入手，引入孔隙介质理论，充分考虑初始地应力对路基材料变形模量的影响及路基材料变形过程中变形模量随之发生变化的特征，借助孔隙介质理论分析高速公路拓宽新旧路基沉降差异，根据沉降值修改施工方案，最大限度地延长高速公路路基寿命，确保高速公路路基质量，进而保证高速公路的通行安全。

1 那良隧道单侧原位扩建工程防水层土质分析

1.1 地质环境

1.2 土体层次结构分析

以该区域防水层施工为主要研究对象，分析其沉降差异。该区域路基可分为淤泥质粉土地基土、粉土地基土、亚砂地基土，具有明显的土体层次结构。其中，淤泥质粉土地基土属于软土，表层厚度为2.40～3.50 m，其塑性指数为5.0；粉土地基土不属于软土，表层厚度为0.80～3.40 m，其塑性指数为3.3；亚砂地基土不属于软土，表层厚度为0.80～2.30 m，其塑性指数为4.0。在此基础上，在区域内排水采用初期支护和岩面间设置环向50 mm的排水半管将水流引至墙角，并与墙角纵向100 mm的高密度聚乙烯（High Density Polyethylene，HDPE）双壁打孔波纹管排水管连通，横向100 mm的HDPE双壁打孔波纹管将纵向排水管与中心水沟连通，最终将水流通过中心排水管排出洞外。

图1 纵向及环向排水盲管设计图

2 孔隙介质理论与模型

孔隙介质理论一般是指应力、变形场和孔隙介质中多相渗流场之间的相互作用，该理论涉及许多确定的或不确定的因素，因此必须通过模型化的方法对不同因素之间的耦合效应进行“机理”性分析[5]。在实际情况下，变形模量会随埋深的不同而异，这主要是由不同埋深的初始地应力不同导致的，而忽视初始地应力对变形模量的影响会降低沉降分析时的精确度，为此本文引入孔隙介质理论解决这一问题。考虑土颗粒骨架和空隙组成的孔隙介质体是高速公路地基土体的一种理论表现形式[6]，高速公路地基土体作为一种孔隙介质体，也可以根据这一原理，构建土体孔隙介质模型。为此，将土体的表现应力设为σ，土空隙即可视为孔隙，设土孔隙率为n，土颗粒骨架应力设为σs，则：

由公式（1）可知，土体的表现应力σ与土颗粒骨架应力σs之间的关系，所以在一维条件下，可以将高速公路路基看成一个（x、y、z）坐标轴，那么孔隙率n在（x、y、z）坐标轴方向的作用力下会产生孔隙率n′，则：

将公式（2）带入，可以得到x、y、z方向的土体表观体积应变εx和土颗粒骨架实际应变εxs之间的关系，则：

为了建立完整的土体孔隙介质模型，应研究土体表观体积应变与土颗粒骨架实际体积应变之间的关系，为此设土体积为V，土体表观体积应变为εV，土颗粒骨架实际体积应变为εVs，变形前后土体孔隙率由n变化为n′，则：

将公式（4）式带入公式（3），可得到x、y、z方向土体表观体积应变与土颗粒骨架实际体积应变之间的关系，则：

将公式（3）和公式（5）联立，根据弹性力学理论计算，则：

公式（6）即土体孔隙介质模型。

镍是能够满足循环经济理念的金属之一。不锈钢或镍理论上来说都是百分之百不会降解并且可回收的，废不锈钢和废镍不会因为回收而导致品质下降，回收回炉后的镍金属也可以作为非常好的原材料再次使用。据了解，在全球很多国家和地区，82%的镍金属都可实现回收再利用。现阶段全球每年的镍开采量在190万 t，而全球的镍使用量约为2 500万 t。地表镍储藏量大概有1亿 t，加上次表层可以开采的镍约有2亿 t，共计3亿 t。不难看出，这样高的镍回收利用率以及丰富的资源储量，完全可以满足所有国家工业的高度发展需要和对镍的增量需求，达到可持续发展的要求。

3 高速公路拓宽新路基沉降计算及分析

3.1 沉降差异计算

根据上述构建的土体孔隙介质模型，选用直径d=50 mm的平底圆形压头，选取6个测点，该路基其他物理性质参数为路基材料最大干密度为2.043 g/cm3，路基材料颗粒密度为2.689 g/cm3，交通荷载等级为M=10，针对表1中3种不同地段的路基基土土层，根据公式（6）的土体孔隙介质模型，可以得到这3个地段的高速公路新旧路基下基土的物理力学指标。

根据上述数据，分别分析路基基土孔隙率差异、路基基土黏聚力差异，以此判断高速公路拓宽新旧路基沉降差异。

3.2 结果分析

3.2.1 路基基土孔隙率差异分析

由表1可知，在淤泥质粉土地基土中，旧路基基土的孔隙率较新路基基土孔隙率小28.9%，在修建高速公路之前，路面的基土孔隙率为1.42；在粉土地基土中，旧路基基土的孔隙率较新路基基土孔隙率小18.7%，路面的基土孔隙率为0.701。在淤泥质粉土和粉土地基土中，新高速公路孔隙率都比未修建高速公路之前低；在亚砂地基土中，旧路基基土的孔隙率较新路基基土孔隙率大19.1%，路面的基土孔隙率为0.770，相较修路前，旧路路基基土的孔隙率低，新路基基土孔隙率高。因此，高速公路新旧路基基土孔隙率差异与土层地质有很大关系[7-8]，不同的土层地质建立的高速公路路基孔隙率会发生不同的变化。

3.2.2 路基基土黏聚力差异分析

由表1可知，在淤泥质粉土地基土中，旧路基基土的黏聚力较新路基基土黏聚力大20.6%，在修建高速公路之前，黏聚力为6.76；在粉土地基土中，旧路基基土的黏聚力较新路基基土黏聚力大32.5%，在修建高速公路之前，黏聚力为4.806；在淤泥质粉土和粉土地基土中，新高速公路黏聚力比未修建高速公路之前高；在亚砂地基土中，旧路基基土的黏聚力较新路基基土黏聚力大32.1%，在修建高速公路之前，黏聚力为4.875，不管是新路路基基土还是旧路路基基土的黏聚力都比未修建高速公路之前高。因此，高速公路新旧路基基土黏聚力差异与土层地质没有关系。

4 防水层路基沉降缝施工方案

当前，高速公路的旧路基经过长时间的荷载，其固结程度会与新路基存在较大差异，因此高速公路在改扩建过程中，必须对路基进行加固，防止出现路面开裂、起伏、塌方等灾害。所以，在明暗交接处及各级围岩变换处沉降缝，施工缝设膨胀止水条，沉降缝设沥青木丝板夹GPZ-A3型橡胶止水带。橡胶止水带和止水条设于二衬厚度一半的位置，橡胶止水带施工时用细格铁丝、二衬内部专埋钢筋先固定一半，另一半则折叠在端头处，施工相邻另一模混凝土时将其凿出、拉直，用同样的方法固定另一半，沉降缝处还需设浸沥青木板；止水条则在二衬端头厚度一半处通过预埋泡沫等物件的方法刻槽，拆模后立即修顺预留槽，在下一模混凝土将浇筑时钉上止水条。施工示意图如图2所示。

图2 沉降缝设计图

图2中橡胶止水带安设工艺过程如下。

（1）将背贴式止水带与防水板焊接之后，立模，沿衬砌设计轴线在挡头板上每隔40 cm钻12 mm的圆孔。

待模筑混凝土凝固后拆除挡头板，将止水带靠中心钢筋拉直，然后弯曲10 mm的钢筋卡套上止水带，模筑下一环混凝土。在绑扎钢筋和支模时，止水带必须采取可靠的固定措施，避免在浇筑混凝土时发生沉降。

5 结语

从总体上看，由于经济社会的不断发展，原高速公路已不能满足当前发展需要，所以必须对其采取相应的改扩建措施。在高速公路改扩建过程中，新旧路基的沉降差异会引起高速公路病害，因此本文提出基于孔隙介质理论的高速公路拓宽新路基沉降分析，但是，本文只分析了高速公路改扩建新旧路基基土的沉降差异，而路基的沉降还受到路基填土压实度等因素的影响，为此必须不断深入研究高速公路改扩建新旧路基差异，预防高速公路病害。