高速公路路基沉降及施工特性研究

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摘要：現有研究表明，高速公路在外部動態荷載沖擊激勵作用下會造成路基出現流變變形而引發不均勻沉降，出現路面開裂和破損等病害。通過對高速公路的路基沉降及路面動力施工特性規律進行了分析和討論，就如何全面管控高速公路的路基沉降提出了針對性的改進措施和建議，以供類似工程參考。

關鍵詞：路基路面；病害；沉降；交通動荷載；荷載激勵

截止到2020年，我國的高速公路總里程已經達到15萬km，公路總里程已經位居世界第一。在高速公里快速增長的背后，是我國經濟的高速發展和公路需求的不斷增加。目前我國的高速公路路面大多采用的是柔性瀝青混凝土或者剛性水泥混凝土兩種路面結構。根據公路設計規范《公路工程技術標準》（JTGB01-2014）可知，高速公路各種材料設計強度如表1所示。一般來講，高速公路的瀝青混凝土路面的設計施工年限不得低于15年。剛性水泥混凝土路面的設計使用年限不得低于30年。但是在高速公路的設計運營期間，往往發現路面結構在通車不久之后便發生了沉降和破裂等問題。有的高速公路甚至在通車運營后數月時間內，就出現了斷裂、翻漿、沉陷等病害。分析認為，我國地形以山地丘陵為主，高速公路地質條件復雜多變，路基在施工完畢之后，常常存在著一定的流變變形。這種流變變形在汽車荷載的共同作用下，會對高速公路路面整體結構產生巨大影響，造成路面局部脫空和破損，大大降低了高速路面的耐久性和使用壽命。目前國內外學術界關于高速公路路基的沉降及路面動力施工特性的研究較多。例如，美國的公路協會就對美國的高速公路路面破壞的原因進行了調查和分析，通過分析指出，絕大多數路面破壞是由于高度公路路基沉降而導致的，而路基的流變又是造成路基沉降的主要誘因。國內不少的學者的研究也得到了相同的結果[1-3]。這些研究指出，由于路基結構出現沉降，導致路面瀝青結構受力狀態發生擾動，長期的靜力作用便會加速高速公路路面的破壞。實際上，高速公路的路基沉降和路面的破壞，不僅僅是在靜力作用下產生的。在實際施工過程中，施工機械和運營期的汽車沖擊荷載都會導致路面發生沉降。而這種動力特性是傳統研究的靜力學無法描述的，如路面材料在動力荷載作用下發生的疲勞開裂、材料松散等。高速公路的路基沉降的動力特征，是由于路面不平和車輛的動態荷載隨機發生的。這種特性與車輛的結構、速度和載重等因素有關。對高速公路路基沉降的施工動態特性展開深入研究，有助于尋找高速公路路面損傷和路基沉降等問題發生的規律，對指導高速公路施工、病害整治和預防都具有十分重要的現實意義。

1高速公路路基沉降類型

在工程上，對于高速公路的路基沉降而言，由于其具有非常多的影響因素，同時受限于技術原因，對于路基的沉降的計算分析是十分困難的?？傮w而言，高速公路的路基沉降的原因可以分為宏觀和微觀的兩種。對于宏觀的路基沉降，常見形式有土內孔隙壓縮產生沉降、排水固結沉降、側向擠出等多種類型。微觀方面的路基沉降形式主要有土粒蠕動、土粒薄膜水的轉化等。高速公路的路基沉降是一個十分復雜的課題，很難對其沉降的動力特性展開研究，本章結合具體的工程案例，就高速公路中常見的幾種路基沉降類型進行分析。

1.1高填方路基沉降

耒益高速K465+800～K466+200段為高填方路基段，該段填方路基的典型橫斷面如圖1所示。這一段地質條件主要為中風化灰巖和白云質頁巖以及石英砂巖。路基的施工方法為機械化分層碾壓。路堤的填方平均高度為3m，每一層用18t壓路機靜力碾壓、振動壓實，輔以人工找平的方法施工。目前該高填方路基路面存在的問題，主要是路面出現許多縱橫交錯的十字裂紋，裂紋寬度在1～2cm。這種裂縫在交匯處邊存在較為嚴重的路面破損，如圖2所示。對這段路基的病害進行分析發現，造成這種路面開裂的主要原因是路基的不均勻沉降。

1.2深路塹路基段

耒益高速公路K504+200～K504+500段為典型的深路塹路基段，路基典型橫斷面如圖3所示。這一段地質條件主要第四系粘土、亞粘土及石炭系灰巖。同時通過勘察發現，該地區由于灰巖發育存在著不同程度的溶洞和溶蝕裂隙，地下水較發育。該段路基的施工方法為分層開挖，每一層用18t壓路機靜力碾壓、振動壓實，輔以人工找平的方法施工。該段路基的表面平臺主要為縱向裂縫，寬度約為2cm，深約5cm，如圖4所示。通過現場調查發現，該段路基為軟土地基。分析認為軟土地基土質不均勻，在路基施工過程中，左右幅距離碾壓不一致造成不均勻沉降，進而引發縱向裂縫。

2高速公路路基沉降的影響因素

2.1自然因素

通過調查分析可知，自然因素是耒宜高速路基沉降其中一個重要因素。路基沉降段屬于軟土路基，路基當中含水量較大，在溫度下降或者上升過程中，容易發生結凍或者失水現象。水分的變化會導致路基出現承載力變化，進而導致路基沉降。

2.2人為因素

除了自然因素之外，人為因素也是路基沉降的一個重要原因。在此我們所討論的人文因素，主要是由于設計階段對地質勘察工作存在一定的局限，導致實際施工數據和設計數據不相符。另外在施工過程當中，施工機械荷載的動力特征沒有充分考慮到，在施工動力荷載的激發下，也加劇了路基的沉降。

3路基路面動力特性研究

以往對路面動力特征的研究和重視一直處于缺失狀態。施工的動力特征并不是一個瞬間完成的，而是長期作用下隨機發生的。在這種動力特征作用下，路基的沉降是很難直接發生和觀察到的，需要我們對施工動力特征、規律進行深入觀察和研究。

3.1路面激勵特性

對于高速公路的路面施工而言，不可能做到完全的整平。在微觀方面上的凹凸不平，雖然滿足高速公路施工質量要求，對行車駕駛品質沒有任何影響。但是在施工過程中，路面的不平會激勵機械動力，給機械分動力特征造成一定影響，因此我們需要對路面平整度進行監測?，F有的工程測量結果精度有限，同時受制于成本和測量人員的專業技能水平，測量的結果往往不能夠準確反映出施工動力特征。

3.2車輛荷載分析

在路面平整度影響因素之外，車輛荷載也是施工動力特征的一個主要影響因素。車輛的動力特征與車輛的型號、載重、速度都有直接關系。車輛在行駛過程中的振動和加速制動都會施加到路面，并傳遞道路基結構上，造成路基的分離和流變。

4路基沉降管控措施

基于高速公路路基沉降和施工動力特征，在高速公路中我們可以通過以下幾點措施來全面管控路基沉降。

4.1沉降觀測技術

在填方路基段在路基填筑之前，需要對基地進行處理夯實。在路基填筑過程中，應當分層填筑分層碾壓，并對每一層的填筑和碾壓速度進行監控，防止沉著速度夠快。通過監控數據，對路基的沉降進行有效預測，可以幫助人們了解路基的穩定狀態。

4.2降低地下水位

地下水是造成路基沉降的一個主要因素。如果地下水位過高，使路基始終屬于飽和狀態，會加速路基的流動變形。對此在施工之前，需要嚴格控制地下水水位，防止地下水位過高。另一方面，地下水的含量過高，會使路基當中的土體始終處于松散狀態，在路基碾壓時，路基強度和彎沉值很難達到設計標準。在施工完成之后，土體當中的水分會隨著外部環境的變化發生凍結和流失。這種情況加劇了路基的沉降和路面損傷破壞，因此嚴禁在沒有對地下水位進行處理之前，就進行路基夯實碾壓。

4.3地基處理技術

相對于普通公路來說，高速公路路線距離長、地質條件復雜、設計標準等級高，路基處理起來難度更大，對技術要求更高。常見的路基處理技術有軟土換填、灰土樁、擠壓拋淤等。在高速公路路基處理過程中，需要運用多種類型的工程材料和機械設施。就本文中的耒益高速而言，它的路基沉降大多數是發生在軟土路基段，結合當場的地質條件提出了排水固結和灌漿改良的措施。采用上述處理措施，路基的沉降得到了有效緩解。通過一段時間的監測，發現其處于較為穩定的狀態。

5結束語

目前我國的大量高速公路當中，由于路基沉降造成的工程質量問題十分普遍，給施工企業和社會造成了難以估量的經濟損失。以往的施工往往忽略了動荷載對路基沉降的影響，本文在對高速公路路基沉降施工動力特征和規律進行分析基礎上，結合耒益高速中典型路基沉降病害，就地基沉降的原因進行了分析，就具體的防控措施提出了一些建議。路基沉降的施工動力特征是十分復雜的一個力學過程，目前的研究還存在著許多的不足，很難徹底防止施工動力荷載對路基的影響，需要在以后的科學實踐當中進一步的研究，以徹底杜絕路基沉降的發生。

參考文獻

[l]張嘉凡,張慧梅.軟土地基路基不均勻沉降引起路面結構附加應力[J].長安大學學報(自然科學版),2003(03):21-26.

[2]曹東偉,胡長順.多年凍土區路基融沉變形的附加應力[J].重慶交通學院學報,2001(3):57-61.

[3]汪雙杰,黃曉明,侯曙光.多年凍土區路基路面變形及應力的數值分析[J].冰川凍土,2006(02):217-222.

[4]鄧衛東,張興強,陳波,等.路基不均勻沉降對瀝青路面受力變形影響的有限元分析[J].中國公路學報，2004(0l):4.

[5]張著.下穿隧道施工對山區高速公路路基穩定性影響的研究[D].重慶:重慶大學,2014.

[6]林青.高速公路拓寬道路差異沉降特性研究[D].西安:長安大學,2014.

[7]劉準.平原水網地區低路堤高速公路路基動力特性研究[D].武漢:中南大學,2014.

[8]唐泉.高速公路煤矸石路堤沉降與邊坡穩定性研究[D].武漢:中南大學,2014.

作者：田斌 單位：中鐵十八局建筑安裝工程有限公司