（道路与铁道工程专业论文）山区高填路基差异沉降标准和控制技术研究.pdf

摘要 近年来，我国高速公路建设逐渐由东部地区向中西部等多山地区发展。在山区修建 高速公路，不可避免的遇到高填路基，高填路基相对于一般路基而言，具有沉降大，沉 降时间长等特点，而我国现行规范中对其没有特别要求。山区高填路基的沉降，特别是 不均匀沉降，如果处治不当，则会出现各种路基路面病害。目前我国对于山区高填路基 差异沉降的理论研究还不够深入，严重制约着工程质量和建后的长期使用性能。 本文在调查和收集国内外有关资料的基础上，以河北保定保阜高速公路工程建设为 依托，通过理论分析和现场实验，提出了高填路基差异沉降标准和控制措施，主要做了 一下几个方面的工作： ( 1 ) 在对国内外路基工程调查的基础上，分析了山区高填路基不均匀沉降机理和 差异沉降模式，提出了差异沉降影响因素，指出施工和设计的不规范、地基压缩模量和 不同土质对差异沉降的影响； ( 2 ) 分析了保阜高速公路全线高填路基情况和高填路基段工程地质条件，介绍了 不同的路基差异沉降计算方法。本文采用a n s y s 有限元软件对保阜高填路基进行沉降 计算分析，深入分析了填土高度和不同土质对差异沉降的影响程度； ( 3 ) 结合保阜高速公路，提出本文研究思路，通过理论计算分析，提出了高填路 基差异沉降标准及分级； ( 4 ) 结合保阜高速公路，提出山区高填路基差异沉降综合控制技术，针对高填路 基自身、高填方涵洞和纵向填挖交界等工程地段，提出开挖台阶、土工格栅及强夯综合 处治措施； 关键词：山区高填路基差异沉降有限元强夯台阶开挖保阜高速公路 a b s t r a c t t h eh i g h w a yc o n s t r u c t i o ni nc h i n ar e c e n t l yi sd e v e l o p i n gf r o me a s te r e a st om i d w e s t m o u n t a i n o u se r e a s i ti si n e v i t a b l et om e e th i 曲s u b g r a d ew h e nw ec o n s t r u c th i g h w a yi n m o u n t a i n o u sa r e a r e l a t i v et oc o m m o n s u b g r a d e ，t h eh i g hs u b g r a d e h a v e l a r g e s e t t l e m e n t ，l o n g t i m es e t t l e m e n t ，b u ti ti sn o ta l l u d e de x p r e s s l yi na c t u a ln o r mo fo u rc o u n t r y t h es e t t l e m e n to fm o u n t a i n o u sh i g hs u b g r a d e ，e s p e c i a l l yu n e v e ns e t t l e m e n t ，i fw et a k e i n a p p r o p r i a t em e a s u r e s ，i tw o u l dr e s u l t i np r e m a t u r ef a i l u r ea n de x c e s s i v ed i s t r e s so f p a v e m e n t s a tp r e s e n t ，a st h et h e o r e t i c a lr e s e a r c ho nt h eu n e v e ns e t t l e m e n to fm o u n t a i n o u s l l i g hs u b g r a d ei sn o te n o u g h ，i tr e s t r i c t st h ec o n s t r u c t i o nq u a l i t ya n dl o n g t e r ms e r v i c e a b i l i t y s e r i o u s l y b a s i n go ne x t e n s i v es u r v e ya n dc o l l e c t i o no fo t h e rh i g h w a yi nc h i n aa n da b r o a d ， a c c o r d i n gt o t h ec o n s t r u c t i o ne x a m p l eo fb a of uh i g h w a yi nb a od i n gc i t yh e b e i p y o v i n c e ，d e p e n d i n go nt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n df i e l de x p e r i m e n t ，t h i st h e s i sp u tf o r w a r dt h e s e r l e m e n tc r i t e r i o na n dc o n t r o lm e a s u r e sa b o u th i g hs u b g r a d eu n e v e ns e t t l e m e n t ，w h i c h m a i n l yc o n t a i nf o u rp a r t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e do nv a s ti n v e s t i g a t i o n so fs u b g r a d ee n g i n e e n i n ga th o m ea n da b r o a d ，a n a l y z i n g u n e v e ns e t t l e m e n tm e c h a n i s ma n dm o d e l ，p u t sf o r w a r di n f l u e n c i n gf a c t o ro fd i f f e r e n t i a l s e t t l e m e n t ，p o i n t so u t t h ei n f l u e n c eo nd i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n to ft h en o ts t a n d a r d i z e d c o n s t r u c t i o na n dd e s i g n ，m o d u l u so f c o m p o s i t ef o u n d a t i o na n dd i f f e r e n ts o i l ( 2 ) a n a l y z i n gh i g hs u b g r a d eo fb a of ue x p r e s s w a ya n de n g i n e e r i n gg e o l o g i c a l c o n d i t i o n ，i n t r o d u c i n gd i f f e r e n tc a l c u l a t i n gm e t h o do fs u b g r a d eu n e v e ns e t t l e m e n t t h i st h e s i s u s et h ea n s y sp r o g r a mt oc a l c u l a t ea n da n a l y z es e t t l e m e n to fb a of uh i g hs u b g r a d e ，a n a l y z e t h ei n f l u e n c ed e g r e eo nd i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n to ff i l l i n gh e i g h ta n dd i f f e r e n ts o i l ( 3 ) b a s e do nb a of ue x p r e s s w a y , p u t t i n gf o r w a r dr e s e a r c ht h i n k i n ga n dc o n t r o l l i n g c r i t e r i o no fd i f f e r e n t i a ls e n l e m e n t ( 4 ) p u t t i n gf o r w a r dt h ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n tc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yo fm o u n t a i n o u s h i g hs u b g r a d e ，a c c o r d i n g t oh i g h s u b g r a d e ，h i g h e m b a n k m e n tc u l v e r t ，c u tt of i l l l o c a t i o n ，p u t t i n gf o r w a r dt r e a t m e n tm e a s u r eo fb e n c he x c a v a t i o n ，g e o t e c h n i c a lg r i l i ea n d d y n a m i cc o m p a c t i o n k e yw o r d s ：m o u n t a i n o u sh i g hs u b g r a d e ，d i f f e n e r t i a ls e t t l e m e n t ，f i n i t ee l e m e n t ，d y n a m i c c o m p a c t i o n ，b e n c he x c a v a t i o n ，b a o f ue x p r e s s w a y i v 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：孑j 、? 及发7 咖? 年f 月话日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 砬舅h 9 年f 月7 , 售- e t 导师签名：7 们矿年 月舀日 长安大学硕l 学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论弟一早三百下匕 近年来，我国公路建设发展迅猛，尤其是高等级公路的建设取得了长足的发展。据 统计，到2 0 0 7 年底，中国公路通车总里程达3 5 7 3 万公里，其中高速公路总里程达5 3 6 万公路，居世界第二，全国干线公路网初具规模【。其中，“十五”期间建成高速公路2 4 7 万公里，是“七五”、“八五”、和“九五”建成高速公路总和的1 5 倍。 随着东南沿海高速公路建设的饱和，今后我国高等级公路建设的重点，逐渐移向中 西部等多山地区。我国地域广阔，山区、山丘区约占全国总面积的7 0 【2 1 。山区高速公 路修建过程中，由于地形、地质以及路线线形的要求，桥梁、隧道频频采用，高填深挖 路基也占有很大比例。因此，出现了边坡失稳、桥头跳车及路基沉降等病害，其中高填 路基差异沉降引起的病害尤其突出。高填路基不均匀沉降，使基层和面层出现了附加应 力，这种附加应力和路面的荷载应力共同作用，加剧路面结构的疲劳破坏，形成裂缝、 错台等病害，严重影响道路使用性能。 目前，关于山区高填路基差异沉降控制的理论研究水平还远远落后于实际工程应 用，从总体上看，国内关于山区高填路基差异沉降控制的理论研究还处于起步阶段，它 严重制约了高填方路基上承路面工程整体设计方法和长期使用性能。 本文以河北保定在建保阜高速公路为工程依托，进行山区高填路基差异沉降标准和 控制技术研究。该工程所处地区地形复杂，山区较多，存在大量高填方路段，如何处理 这些高填方路段成为一道难题。本文根据保阜高速公路的实际情况，在大量调查研究的 基础上，通过理论分析和现场试验，针对山区高填方路基差异沉降，提出合理的控制措 施。 1 2 国内外研究概况 目前，国内外专门研究山区高填路基差异沉降的文献很少，只在机场工程和大坝工 程中能见到。机场工程中，由于机场占地面积大，对飞机跑道的平整度要求很高，大型 机场更是如此，因而遇到的高填深挖不可避免，在山地或丘陵地区更是常见。如福建三 明机场、三峡机场等都出现了大量的高填方。坝体工程中，由于大坝的填筑高度很大， 后期变形不容忽视，因此都非常重视大坝的现场观测测试工作。 第一章绪论 随着山区高速公路的修建，公路工程中高填路基大量出现，其差异沉降问题已经引 起工程建设者的高度重视。 2 0 世纪初，随着弹性力学的发展，t e r z a g h i 一维固结理论问世，大大促进了土力学 理论的发展，从而促进了沉降理论的研究。m a j i d z a d e t h 建立了行车荷载作用下路基变 形的力学模型，并在实验室和现场得到了验证。w i l k n ，v o s e 等曾探讨了差异沉降明 显的路基上铺筑水泥混凝土路面的结构问题。 国内高速公路建设过程中，拓宽路基、半填半挖和纵向填挖交界路基容易出现差异 沉降等路基病害。国内关于此类问题的理论研究方法，主要有：数值模拟分析方法，刚 体极限平衡法，数据本构分析法。 丁浩以广东省粤肇高速公路的工程建设为依托工程，进行了填挖交界路段结构模型 模拟试验；颜春进行了底摩擦模型试验，发现半填半挖与填挖交界由于是两种刚度材料 的交界处，因此很难使两边在受力的情况下变形协调，在室内试验中可以看到交界处容 易产生变形裂缝，开裂频率仅次于坡角。 钱劲松【7 3 】通过分析老路拓宽差异沉降的研究现状，指出了目前计算方法的不足；结 合通用有限元程序a n s y s ，运用d p 材料来模拟土体的非线性，对老路拓宽工程进行了 非线性有限元分析，总结了差异沉降的规律，并依据计算结果对老路拓宽的设计提出一 点建议。 从8 0 年代后期开始，我国各个工程领域和相关科研机构( 包括各大院校) 在组织 研究开发有限元软件的同时，开始引进国外的许多优秀的有限元软件，如中国科学院地 质研究所合作开发的岩土工程稳定性研究软件f i n a l ，还有目前被广泛使用，尤其是 用于结构工程领域的大型有限元软件a n s y s ，处理非线性问题的a b a q u e s 和m a r c ， 以及在岩土结构藕合方面非常突出的a d i n a 等有限元软件。 1 2 1 现行规范中相关规定 1 2 1 1 公路路基设计规范中，关于高边坡路堤的规定【3 】 高边坡路堤与陡坡路堤设计应贯彻综合设计和动态设计的原则。应在充分掌握 场地水文地质条件、填料来源及其性质的基础上，综合进行路堤断面、排水设施、边坡 防护、地基及堤身处治等的设计。当实际情况有变化时，应及时调整设计，确保路堤稳 定。 对边坡高度超过2 0 m 的路堤或地面斜坡坡率陡于1 ：2 5 的路堤，以及不良地质、 特殊地段的路堤，应进行个别勘察设计，对重要的路堤应进行稳定性监控。 高边坡路堤与陡斜坡路堤的地基勘察应查明地基土的土质类别、层位、厚度、 2 长安大学硕l 学位论文 分布特征和物理力学性质，确定地下水埋深和分布特征，确定地基土的承载能力，获取 设计所需的物理力学指标。其工程地质勘察应满足公路工程地质勘察规范的要求。 路基填料应满足规范规定，路堤压实度应满足要求。必要时，可采用冲击碾压 或强夯等进行增强补压，以消减高路堤的差异变形。 高路堤边坡形式和坡度应根据填料的物理力学性质、边坡高度、车辆荷载和工 程地质条件等经稳定分析计算确定。高路堤断面形式宜采用台阶式，降水量较大的地区， 平台上应加设截水沟。 1 2 1 2 公路路基施工技术规范关于高填路基的规定【4 l 水稻田或长年积水地带，用细粒土填筑路堤高度在6 m 以上，其他地带填土或 填石路堤高度在2 0 m 以上时，可按本节要求施工。 按3 4 节规定进行原地面清理后，如地基土的强度不符合要求，应按规范中第9 章有关规定进行处理或加固。 。高填方路堤，应严格按设计边坡填筑，不得缺填。如填料来源不同，其性质相 差较大时，应分层填筑，不应分段或纵向分幅填筑。 高填方路堤受水浸淹部分，应采用水稳性高及渗水性好的填料，其边坡比不宜 小于1 2 。 半挖半填的一侧填方基底为斜坡时，应按规定挖好横向台阶，并应在填方路堤 完成后，对设计边坡的松散弃土进行清理。 1 2 1 3 铁路路基设计规范的相关规定【5 】 ( 1 ) 地基处理 稳定斜坡上地基表层的处理，应符合下列要求： 地面坡率缓于1 ：1 0 时，路堤可直接填筑在天然地面上。路堤高度小于基床厚度 的地段，应清除地表草皮。 地面坡率为l ：1 肚1 ：5 时，应清除草皮。 地面坡率为l ：5 1 ：2 5 时，原地面应挖台阶，台阶宽度不应小于2 m 。当基岩面 上的覆盖层较薄时，宜先清除覆盖层再挖台阶。当覆盖层较厚且稳定时，可予保留，在 原地面挖台阶后填筑路堤。 地面横坡陡于1 ：2 5 地段的陡坡路堤，必须检算路堤整体沿基底及基底下软弱层 滑动的稳定性，抗滑稳定安全系数不得小于1 2 5 。当符合要求时，应在原地面设计台阶； 否则应采取改善基底条件或设置支挡结构等防滑措施。陡坡路堤靠山侧应设排水设施， 第一章绪论 并采取防渗加固措施。 基底有地下水影响路堤稳定时，应采取拦截引排至基底范围以外或在路堤底部 填筑渗水填料等措施。 地基表层为松散土层，其天然密实度小于本规范表7 3 1 的压实标准规定值时， 当松土厚度不大于0 3 m ，应将原地表碾压密实；当松土厚度大于o 3 m ，应将松土翻挖， 分层回填压实或采取其它加固措施，碾压后的压实质量应满足本规范压实标准的规定 值。 地基表层为软弱土层，当其静力触探比贯入阻力p s 值：i 级铁路小于1 2 m p 。， r1 i i 级铁路小于1 0 m p 。时；或天然地基容许承载力1 0 r j ：i 级铁路小于0 1 5 m p a ，i i 级铁 路小于o 1 2 m p a 时，应根据软弱土层的性质、厚度、含水率、地表积水深度等，采取 排水疏干、挖除换填、抛填片石或填砂砾石等地基加固措施。 软土及其它类型厚层松软地基上的路基须进行路基稳定性、沉降检算，当稳定 安全系数、工后沉降不满足规定时，应进行地基处理。地基处理设计应符合铁路特殊 路基设计规范( t b l 0 0 3 5 ) 的有关规定。 ( 2 ) 沉降控制 软土地基沉降计算应符合下列规定： 地基沉降量计算其压缩层厚度按附加应力等于o 1 倍自重应力确定； 地基的总沉降量( s ) 计算应包括瞬时沉降( s d ) 、主固结沉降( s c ) ，对于富含 有机质土和泥炭土尚应计算次固结沉降( s s ) ； 双线路基地基沉降计算时列车荷载只计算单线。 软土及其它类型的松软地基上的路基应进行工后沉降分析。路基的工后沉降量 应满足以下要求：i 级铁路不应大于2 0 c m ，路桥过渡段不应大于1 0 c m ，沉降速率均不 应大于5 c m 年；i i 级铁路不应大于3 0 c m 。 路基的工后沉降不满足第7 6 2 条要求时，应进行地基处理。 1 2 2 对规范的分析 通过对以上三个规范公路路基设计规范公路路基施工技术规范和铁 路路基设计规范的分析，可以看出来： ( 1 ) 公路路基设计规范中，对于高填方路基的填料，没有特殊要求，和一般路 基填筑要求一样，应满足规范要求。 4 长安大学硕i ：学位论文 关于保阜高速公路比较突出的高填路基问题，规范中也有相关规定，对边坡高度超 过2 0 m 的路堤或地面斜坡坡率陡于l ：2 5 的路堤，以及不良地质、特殊地段的路堤，应 进行个别勘察设计，对重要的路堤应进行稳定性监控。 关于路基压实的问题，路基填料应满足规范规定，路堤压实度应满足要求。必要时， 可采用冲击碾压或强夯等进行增强补压，以消减高路堤的差异变形。 ( 2 ) 公路路基施工技术规范和铁路路基设计规范中，对原地基的处理都做 了相关规定。地基应达到强度要求，否则应进行处理或加固。斜坡上填筑路基时，根据 原地面坡率采用不同的方法处理。 ( 3 ) 铁路路基设计规范中，关于沉降控制做了一些规定，主要是针对软土地基 沉降计算应满足规范要求。 综上所述，从查找的相关规范可以看出。关于高填路基问题，规范中对路基填料、 地基处理、压实度控制等做了相关规定。指出，施工质量控制是路基施工的保障。关于 高填路基容易出现的差异沉降问题，没有明确规定。按照规范填筑的路基，沉降控制到 什么地步也不清楚。如何消除差异沉降也没有相关方法规定。因此，在保阜高速公路高 填路基施工过程中，首先，应该严格按照规范要求，按照设计要求进行施工。其次，为 了消除差异沉降的影响，应该采取一些针对性的措施，使工后沉降满足要求，这将是本 课题的研究重点。 1 3 高填路基病害调查分析 1 3 1 山区高填路基不均匀沉降的表现形式 山区高填路基的不均匀沉降不但会导致路基本身的损坏，还会因路基顶面的不平整 在路面结构内产生附加应力，附加应力本身或与车载等共同作用，将导致路面结构的损 坏。其表现形式有填方裂缝，边坡失稳，路面病害等。 1 3 1 1 填方裂缝 填方裂缝是指由填方内部发展而成的裂缝。填方裂缝由于其成因不同，可能出现在 填方路堤的各个部位。微小的裂缝是广泛存在而且无法避免的，但是过大的裂缝却会造 成路基或路面的损坏。 高填路基由松散粒状材料填筑后碾压而成，在自重和其他因素影响下，路堤会产生 一定程度的竖向和水平方向的变形。由于路堤各部分间变形量不同而造成不均匀沉降， 在路堤的不同部位形成拉伸应变区和压缩应变区。由于填方路基的抗拉强度很低，在拉 第一章绪论 伸应变区就容易产生变形裂缝。 变形裂缝根据其产状和路基延伸方向的关系，可以分为纵向变形裂缝和横向变形裂 缝。根据成因，总体上可将纵向裂缝归为两类，即一类为不均匀沉降裂缝，另一类为滑 动裂缝。其中，不均匀沉降裂缝，主要是由于竖向的不均匀沉降导致。高填方路基不 均匀沉降一般是由于地基存在软弱层、路基厚度不均或者压实度不均匀等因素引起的。 如图1 1 、图1 2 所示： r 一、 ， f j、 、 一、i i3 图1 1 填方厚度不同产生的裂缝 、 、 图1 2 地基土层厚度差异产生的裂缝 横向裂缝的产生主要是由于沿路堤的不均匀沉降导致。在较长沟谷地段的填方路 堤，由于沿路堤纵向产生的不均匀沉降，使路堤有往沉降较大的地方产生变形的趋势， 从而，在沉降中心附近，路堤形成压缩变形区域，在路堤顶部产生水平压缩。两侧沉降 变形较小的段落，则由于往沉降较大的一侧移动而形成拉应变区域，在路堤顶部产生水 平拉伸，当这些部位的拉应变超过填料的临界拉应变值时，路堤就会产生横向裂缝。 1 3 1 2 边坡失稳 边坡失稳是特定条件下路基不均匀沉降发展的最终结果。在路基边坡失稳演化过程 6 长安大学硕l 学位论文 中，一般首先是产生纵向裂缝，近似为弧形。变形发展到一定程度，在降雨等诱发因素 作用下，发生失稳。可分为整体或局部路基坍滑。 1 3 1 3 路面病害 高填路基上覆沥青路面或者水泥混凝土路面，病害形式多种多样，大致分为结构性 破坏和功能型损坏。引起这些病害的因素很多，其中路基不均匀沉降和其它方面联合作 用对路面损害的影响最为严重，往往造成路面结构的整体变形和破裂。 ( 1 ) 沥青混凝土路面变形 由于路基发生不均匀沉降而导致的路面变形也是不均匀的，一般总有明显的沉降中 心。当路基刚度变化不大时，路基沉降空间分布是渐变的。路基刚度相差明显时，则会 出现错台，在桥头处形成桥头跳车病害。 ( 2 ) 纵向、横向裂缝 纵向裂缝一般发生在距路堤边缘3 - 5 m 处，或者在减速车道与行车道的拼接处。 裂缝形式分为纵向直线形和纵向弧形。 由高填方路基差异沉降引起的横向裂缝，大多是因地基或路基与构造物的差异沉降 导致基层的开裂，并反射到沥青面层形成的。 ( 3 ) 水泥混凝土板断裂 当路基过量沉降或不均匀沉降，使路面板体脱空失去支撑或不均匀支撑时，路面板 内的应力超过混凝土强度，导致路面板断裂。 1 3 2 高填路基病害调查分析 路基是路面的基础，高填路基的病害最终会导致路基不均匀沉降，引起路面的不平 整，导致路面产生许多病害，主要表现为坑凹、起拱、波浪、接缝台阶、碾压车辙、桥 头或涵洞两端路面沉降、桥梁伸缩缝的跳车等。不仅难以满足汽车高速行驶的要求，而 且还会增加汽车的燃料消耗和轮胎磨损，加大运输成不，增加运输时间，降低经济效益， 更严重会危机行车安全。路基的强度和稳定性是保证路面质量和公路运行质量的先决条 件。 高填路基不均匀沉降引起的病害主要表现为如下形式【6 h 9 】： ( 1 ) 对路基的损害 工后过大的不均匀沉降导致路基整体性差、易发生剪切变形破坏，高填路基时尤为 危险；路基基底横向产生盆形沉降变形，使横坡变缓，影响排水，无形间提高了路基的 7 第一章绪论 含水量。由此对路基造成的病害为：路基纵、横向开裂；路基整体下沉或局部沉降；路 基滑动或者边坡坍陷。 ( 2 ) 高填路基结构物台背的差异沉降 当结构物与台背填土沉降差很大时，在结构物与路基的衔接处就会形成陡坎。由于 车辆通过桥头陡坎引起跳车，使车辆颠簸，引起乘客及驾驶员的不适，同时对驾驶员产 生相当不利的心理影响，严重时则会影响对车辆的正常操作，造成行车事故。为防止车 辆的猛烈跳动，驾驶员被迫刹车减速，降低了道路的使用功能，加速了桥台、桥头搭板、 支座及伸缩缝的损坏，特别是支座和伸缩缝的破坏，同时也加剧了车辆的机件、轮胎等 磨损，降低了车辆的使用寿命。 在没有搭板的情况下，如果路基的沉降过大，就会造成纵向的坡率差增大。车辆飞 驰经过衔接处时，会造成车辆腾空行驶，同样会使驾驶员和乘客有剧烈颠簸的感觉。 ( 3 ) 沥青混凝土路面：由于高填路基不均匀沉降，沥青混凝土路面常出现裂缝、 开裂、错台、隆起、波浪等病害。 叶罗高速公路在开放交通后不久发现沥青混凝土路面沿公路中心线开裂，随着时间 的推移，路面开裂宽度也在不断的发展，特别是高填路基现象更加明显。 k 8 6 + 0 0 0 - k 8 6 + 2 5 0 路段，路基平均填土高度约1 0 - - 1 3 m ，在2 0 0 3 年底发现沥青路面出 现o 5 m m 微小的裂缝，业主为了防止雨水渗入路基，将路面裂缝处进行沥青灌缝处理， 但不能阻止裂缝的发展，到2 0 0 4 年1 0 月1 年多的时间里裂缝累计宽度达到8 0 m m 。另 外通过对路基监测发现路基产生沉陷和侧移倾向。 ( 4 ) 水泥混凝土路面损坏 填方路段尤其是高填路段，路基土方碾压密实度不够是引起水泥混凝土路面开裂破 坏的主要原因。常出现路拱变形，结构层开裂，板底脱空，路面错台，翻浆、坑洞、裂 缝、断裂等病害。 如广西南宁至梧州全封闭水泥混凝土路面汽车专用路，其中靠近南宁段多属山区高 填方，通车不到两年就已经多处出现水泥混凝土路面纵横向开裂破坏。经现场认真调查 发现破坏处均属高填方路基不均匀沉降所致。除此之外，路面缝、水、车也是导致水泥 混凝土路面开裂破坏的一些原因。 通过对高填方路基病害调查分析可以看出，高等级公路出现的诸多问题，很大一部 分原因是由于高等级公路中高填方大量出现，高填方路基差异沉降控制不当，引起路基 的损坏，以至引起路面的破坏，影响公路使用性能。因此，高填方路基差异沉降的控制 长安大学硕l ：学位论文 就显得尤为重要，本文以保阜高速公路为工程依托，理论分析结合现场试验，对高填方 路基进行沉降分级，提出相应的沉降控制方激 1 4 本文主要研究内容 本文以保阜高速公路存在的大量高填路基为工程依托，在对国内相似特征路基存在 的问题进行广泛调查的基础上，通过理论分析、现场试验、沉降观测等方法，对山区高 填路基差异沉降的控制方法进行研究。本文主要研究内容如下： ( 1 ) 山区高填路基差异沉降机理分析； ( 2 ) 山区高填路基差异沉降模式分析； ( 3 ) 山区高填路基差异沉降影响因素分析； ( 4 ) 山区高填路基差异沉降计算； ( 5 ) 山区高填路基差异沉降控制标准及分级； ( 6 ) 山区高填路基差异沉降控制方法研究； ( 7 ) 试验路应用研究 9 第二章 山区高填路基差异沉降机理和影响冈素分析 第二章山区高填路基差异沉降机理和影响因素分析 2 1 差异沉降机理分析 2 1 1 土体的压缩性 地基和上部填方路基均由土体构成，地基的竖直方向变形即为沉降。而土体的沉降 是同土的压缩性能密切相关的。土体的压缩性决定了路基稳定性，土的压缩性即土的变 形性质，是土的工程地质性质中最重要的组成部分之一，与高填路基的稳定和正常使用 关系密切。 土是一种三相体，由固相、液相和气相组成【l3 1 。简单的说，是由土颗粒和孔隙中的 水及气体组成。它们受力后的变形，实际上包括了土颗粒压缩，土孔隙中的水和气体的 排除，土体积减小的过程。在外荷载作用下土的变形分为以下几种情况：土颗粒及结 构集粒的相互滑动或被压碎；土孔隙中的水及空气被挤出；土颗粒接触点处的水膜 变形：封闭气体的压缩和溶解；土颗粒及水的压缩。 工程实践证明，在一般建筑物荷重作用下，土粒和水的压缩量极小，不及土体压缩 量的1 4 0 0 ，通常可认为是不可压缩的；气体的压缩性较强，在密闭的体系中，土的压 缩是气体压缩的结果，但压力消散后，土的体积基本恢复，即土呈弹性变形。自然界的 土处于开启系统，孔隙中的水和气体在压力作用下不可能被压缩而是被挤出。因此，土 的压缩变形主要是由于孔隙中的水分和气体被挤出，土粒相互移动靠拢，孔隙体积减少 而引起的。这种压缩变形的过程与水和气体的排出速度有关，开始时变形速度较大，然 后随着颗粒之间接触点的增加，变形逐渐减弱。 土基是路面结构的最下层，承受着由面层传下来的车辆荷载和上部结构的自重。实 践证明，没有一个坚实、均匀的土基，即使采用很坚固的面层，路面结构在车辆荷载作 用下，也会很快发生破坏。无论是水泥混凝土路面还是沥青路面出现的损坏现象，大部 分都是由于土基强度不足，稳定性变差，在外荷载作用下产生的过量变形所致。因此， 设计和构筑一个坚实、均匀、稳定的土基，提高土基的抗变形能力，是保证公路路面结 构具有良好使用品质的根本措施。 长期以来，对土基自身压缩变形问题的研究相对较小。随着公路等级的提高，高填 方路堤工程大量出现，由于填料自重应力引起的土基自重压缩变形量较大，由此造成的 路基表面不均匀沉降将会对路面结构产生诸多不利的影响。 1 0 长安人学硕 学位论文 2 1 2 土的压实性 在工程建设中，如高填路基，为了改善这些土的工程性质，需要通过压实使土变得 密实。这一过程是土颗粒重新排列压实变密，外部的夯压功能使土在短时间内得到新的 结构强度，包括增强粗粒土之间的摩擦和咬合，以及增加细粒土之间的分子引力以改善 土的性质。 上世纪七十年代开始，经过学者们不断研究和探索，基本上认为土的压实特性同土 的组成与结构、土粒的表面现象、毛细管压力、孔隙水和孔隙气压力等均有关系。压实 的作用是使土块变形和结构调整以致密实。在松散湿土的含水量处于偏干状态时，由于 粒间引力使土保持着比较疏松的状态或凝聚结构，土中孔隙大都互相连通，水少而气多， 在一定的外部压实功能作用下，虽然土孔隙中气体易被排出，密度可以增大，但由于水 膜润滑作用不明显以及外部功能也不足以克服粒间引力，土粒相对移动不显著，压实效 果就比较差：含水量逐渐加大时，水膜变厚、土块变软，引力也减弱，施以外部压实功 能则土粒移动而挤密，压实效果渐佳；在最佳含水量附近时，最有利于土粒受击实时发 生移动使土变密，能被击实至最大容重。 2 1 3 沉降机理 地基土体在上部结构荷载作用下产生应力和应变，其中竖直方向的变形即为沉降。 土体的沉降变形同土体的压缩性能是密切相关的。 公路路基沉降主要由两部分组成，即地基在路基自重作用下的固结压缩变形和路基 本身的固结压缩变形。由于路基是分层施工的，根据应力扩散原理，路基土承受压路机 的轮压作用最明显，可以认为已经得到很大程度的压实，而地基的压实效果不明显。路 基的工后沉降量主要是由地基土的沉降固结引起，但也不能排除路基本身的次固结变 形，即土体骨架发生蠕变所到1 2 】。 高填路基差异沉降由施工期沉降和工后沉降组成。施工期沉降是从路基开工到路基 填筑完成时，其间产生的沉降，是伴随着路基填筑施工的一个持续过程。工后沉降是从 路基填筑结束后，一个较长的时间内，受土体自重、上部路面施工和行车荷载的影响， 产生的沉降过程。引起高填路基差异沉降变形的因素很多，结合保阜山区高速公路情况， 差异沉降可能出现以下几种情况： ( 1 ) 由于自重引起的天然地基的沉降 天然地基的固结在自身的重力作用下已基本完成，但在其上修筑路堤时，由于路堤 填土成为附加荷载，从而使天然地基产生沉降变形。这种沉降变形的大小受路堤填土的 土质和填土高度的影响。高填方路基在保阜高速公路中大量存在，填高在2 0 米以上的 第二章山区高填路基差异沉降机理和影响闪素分析 路段约占全线的l ，由于附加荷载而产生的天然地基的沉降应该引起重视。 ( 2 ) 路基压实度不足引起的路基沉降 在路基压实度不能满足要求的情况下，由于路基两侧压实度相对较低，因此路基沉 降将是临近边坡的路基两侧大于路基中心，这一倾向在雨水入渗与冲刷的情况下表现得 更加明显。在此情况下，硬路肩与行车道间将出现沉降差，并出现沉陷和错台现象。由 于行车道板下脱空，雨水又能从错缝中渗入基层，在行车道频繁行车荷载作用下，加上 雨水对面层和基层连接面的不断冲刷，导致了路面的断裂。已有调查显示，高速公路主 车道纵向开裂一般发生在车道与硬路肩接缝内侧l 1 5 m 范围内，就属于这种破坏情况。 ( 3 ) 软弱土基引起的差异沉降 在我国华东水网地区，对软弱土质路基已经进行了比较深入的研究和分析，但在其 它地区软弱土基却没有引起足够的重视。施工时，未对其做任何处理，就在其上填筑新 的路堤，检测时也只是对路基顶面和基层做一些必要的验收，在当时认为合格的数据， 在通车一定时期后出现了整体的变化，路堤地基下沉，基层损坏，面板错位、断裂，桥 头发生“跳车”的现象在所难免。保阜高速公路中也有软弱土存在，经过勘测共有1 7 处， 且全部位于k 0 + 0 0 0 - - 一k 3 0 + 0 0 0 之间，地处河北平原。这段公路路基填高整体不高，但 软弱土也应该引起工程上的重视。 ( 4 ) 水的作用 水是公路路基损坏的主要原因由于水的渗流作用使得许多山区公路路基产生滑塌、 侧向位移与沉陷等。近年来，全国许多地方出现因连续多天的强降雨导致了多条高速公 路严重损坏的报道，因此在进行路基设计时要加强防排水设计。 ( 5 ) 边坡失稳引起的沉降 高填路基边坡稳定性直接影响路基稳定性。由于路堤土属于非饱和土，在降雨作用 下，降雨入渗会首先在路堤边坡坡脚引起滑动破坏，一旦坡脚发生滑动，就会触发坡脚 以上部位更多的滑动发生，从而成为形成路基沉降的又一个重要因素。 有研究表明，对于土石比与压实度均较小的填石路基，更要特别注意土石比的减小 和压实度的降低对工后沉降产生的显著影响。 ( 6 ) 工后沉降 高填路堤的工后沉降难以避免。根据土的物理性质，土为塑性材料，在土的原状被 破坏以后，不论人为压实得多么密实，工后沉降也是难以避免的；况且大凡施工中采用 的压实工具最多也只有2 0 t 重。公路工程实践经验表明，路基压实成型后，路基自身和 1 2 长安人学硕 ：学位论文 上部路面结构以及行车荷载的长期作用，会或多或少的出现工后沉降。保阜高速公路为 典型的山区高速公路，路基填筑多为填石或土石混填，工后沉降很难避免，但是采取适 当措施，可大大减小工后沉降。 ( 7 ) 由于工期限制引起的沉降 高填方路基沉降是一个持续的过程，短时间内不可能全部完成。施工期也是沉降控 制的一个重要因素，目前国内高速公路建设周期短，路基施工通常在1 2 个月 - 1 8 个月 完成，施工期内地基和路基的沉降通常只完成了6 0 左右，基层和面层施工随后进行， 沉降还没有完成，这样为工后过大沉降埋下隐患，容易造成基层或面层的破坏。 2 2 高填路基差异沉降模式分析 高填路基不均匀沉降是多方面因素综合作用的结果。大致可分为一下四种模式：路 基填方压实度不足、地基中存在软弱土层、路基刚度差异过大、填筑物成分不均匀。 2 2 1 路基填方压实度不足 在山区高速公路建设中，高填路基往往占路基施工的很大一部分，压实度是影响高 填方路基沉降的一个重要因素。压实度不足或压实度不均匀易导致高填方路基出现过大 的差异沉降，危害路基使用性能。路基施工前期，由于地形条件限制，大型压实机械无 法使用，只能人工进行压实或采取小型压实机械，导致高填路基底部压实度不足，成为 高填方路基的一个薄弱环节，如山区高速公路中经常遇到的“鸡爪沟”地形。保阜高速公 路路基填料为就近采挖的石块经过粉碎后直接作为填料，基本为石头或土石混填料。石 头粉碎不足，出现较大石块时，易造成路基压实不均匀；涵洞等构造物附近，为避免因 强夯压实影响构造物稳定性，取消强夯等补强措施，虽采取换填等措施，也会形成过渡 段，往往因压实度不均匀而形成差异沉降；在填方路基施工中，当路堤施工到一定高度 以后，路堤边缘土体往往存在压实度不足问题。上述情况，如不引起重视，往往会导致 路基发生不均匀沉降。如图2 1 ： 第一口 m k 高填路基差异帆降机目和蟛自闻索分析 ， 太 图2 1 填方路基压实度不足导致路基不均匀沉降 222 地基中存在软弱土层 地基中存在天然软弱土层，软弱土层本身力学性能差，在具有一定厚度的条件下， 在附加应力作用f ，会发生固结沉降、次固结沉降和侧向塑性挤出，导致明显的沉降变 形。一般柬说，软弱土层的厚度、填筑土层的高度和宽度越大，则路基的沉降量和沉降 差越大。地袁水和地下水自然排泄困难，地基土未能固结是地基土产生过强沉降和沉降 差的重要原因。如图2 2 ： 可可心 一一、一 图2 2 地基中软土层导致路基不均匀沉降 地基压实处理不当，稳定性不足，在高填方路段由于上部荷载增加，导致地基过量 沉降，出现路基的不均匀沉降。 保阜高速公路所经过地区地质情况复杂，路线东段位于河流的冲洪积平原t 为北 部的拒马河一北瀑河一漕河以及南部的漕河一曲逆河一唐河两个大型冲洪积扇叠加而 成。河流的淤积及低滓地带易形成类似于软的软弱土，其物理性质表现为含水量高， 达到3 0 以上；天然扎隙比高，超过09 ：液性指数大于o5 ；标贯击数低，一般在5 击下。全线共分布1 7 处软弱层。软弱土埋深大的路段，硬壳层较厚，可以不进行处 长安大学硕上学位论文 理，属于构造物和高填方段则需进行处理。 2 2 3 路基刚度差异过大 桥头与路基交接处、横向半填半挖处、纵向填挖交接处和涵洞等构造物处，由于路 基刚度相差过大，在路面动荷载等综合作用下，会引起明显的差异沉降，导致路面裂缝 等病害。例如，涵洞通常为混凝土结构，刚度大，涵洞两侧路基刚度则很小，往往要设 计一定长度的过渡段，否则易引起过大差异沉降。保阜山区高速公路中，上述情况大量 出现，应该引起重视。 2 2 4 填筑物成分不均匀 山区高速公路施工过程中，对填方物质的成分、级配很难得到有效的控制，填筑物 常常是开挖路堑、隧道产生的弃方。这些物质成分差异较大、级配也相差很远。一方面， 在施工过程中，如果分层碾压厚度过大，小颗粒物质和软弱物质很难得到有效压实，在 荷载的长期作用下，回填物质会产生不协调沉降变形。柔性路面会产生局部沉陷，刚性 路面可能产生纹裂或局部沉陷。另一方面，由于回填物的性质不一样，特别是有的回填 物具有膨胀性，在路基排水系统局部失效后，水的渗入会使路面产生胀起，影响行车舒 适度，严重的会使路面破坏。 保阜高速公路高填方路基，填料大多是隧道或者开挖路堑形成的弃方，由于地处太 行山脉，大多为坚硬岩石，经过破碎成为路基填料。如果施工监管不严，石块破碎不均 匀，填料超过路基规范要求粒径，压实度很难满足要求，为以后的差异沉降埋下隐患。 2 3 差异沉降影响因素分析 由于公路工程实践的多样性和不确定性，需要研究在各种不同工程条件下的差异沉 降，即研究影响高填方路基差异沉降的各种自然、人为因素。在高填方路基实践中，公 路沿线土质和地基压缩模量成为影响差异沉降的主要的自然因素；而设计和施工的不规 范就成为影响差异沉降的人为因素。 2 3 1 施工和设计的不规范 当公路路线设计有高填方路基时，需对路堤进行稳定性验算和沉降计算，如果验算 和计算所需的地质条件、土工试验资料等不能真实反映现场情况时，就会造成设计的不 合理，从而产生路基病害。 高填方路基施工过程中，分层填筑时，应按照公路路基设计规范要求的厚度进 第二章山区高填路基差异沉降机理和影响因素分析 行铺筑。若随意将层厚加大，而压实机具则按照规定的碾压遍数压实时，压实度将达不 到规范规定的要求，当填筑到路基设计标高时，必然产生累计的沉降变形，在重复荷载 和填土自重的作用下，便会产生下沉。施工过程中，工地现场人员的责任心不强、技术 管理力度不够、施工现场混乱，使工程质量降低，造成施工过程中的隐患，甚至造成大 的质量事故，危及路基的稳定性。 ( 1 ) 填筑顺序不当 高填方路基在填筑时未严格按施工规范要求在路基全幅范围内分层填筑，填筑厚度 不符合规定等。 ( 2 ) 压实不足 高填方路基应按规定选配压实机具，按正确的操作规范及要求进行压实操作，确保 压实度达到施工规范规定的要求。 ( 3 ) 在填挖交接处没有挖台阶，或者台阶开