填方路基不均匀沉降原因分析及处治措施.pdf

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1、第22卷 第1期重庆交通学院学报2003年1月Vol.22No.1JOURNAL OF CHONG QINGJIAOTONGUNIVERSITYMar.,2003填方路基不均匀沉降原因分析及处治措施颜 春(重庆交通学院 道路工程系,重庆400074)摘要:笔者通过对高速公路填方路基非均匀沉降模式及成因的简要分析,在此基础上总结出一些避免路基不均匀沉降所采取的相应措施.关 键 词:路基;不均匀;沉降中图分类号:U411 文献标识码:B 文章编号:1001-716X(2003)01-0063-06 路基沉降是影响路基路面强度和稳定性的一个十分重要的问题,国内外对其研究均十分重视.国内对路基沉降的系

2、统研究始于20世纪80年代初,在上世纪80年代,我国公路部门针对在软基上修筑高等级公路存在的技术问题对软基沉降计算、软基处治措施及方法进行了系统研究,形成了一套软基综合处治技术.进入90年代,路基不均匀沉降问题日益突出,一些省区开始摸索不均匀沉降的处治技术,重点主要在于“桥头跳车”问题的处理,对其它不均匀沉降问题的研究与处治尚处于初步阶段.国外对路基沉降问题的研究起步较早,除进行非均匀沉降特性理论研究外,更注重处治措施的试验研究.随着我国高速公路建设的发展,目前对于路基不均匀沉降带来的路面病害进行了不少研究,这些研究对于我们认识路基不均匀沉降的机理及如何防治提供了有益的探索.1 填方路基不均匀

3、沉降模式及成因影响路基沉降的因素很多,如荷载大小、土的性质、土层分布及土的应力历史等.大量的调查表明,路基不均匀沉降是多方面因素综合作用的结果.归纳起来,填方路基不均匀沉降模式有以下几种:1.1 路基填土压实度不足由于压实度不足,往往导致填方路基的不均匀沉降变形(图1),路基两侧出现纵向裂缝.路基土体压实度不足的主要原因有以下几点:(1)施工受实际条件的限制.路基施工时,天气太干燥,局部路堤填料粘土土块粉碎不足致使路基压实度不均匀;暗埋式构造物处因构造物长度限制使路基边缘不能超宽碾压,致使路基边缘压实度不够;某些加减速车道与行车道没有同步施工,当拼接处理得不好时,其拼接处也会产生压实度不足的情

4、况.(2)考虑到施工安全和进度,使得压力或压力作用时间不足.路基压实不充分,致使路基压实度达不到要求.(3)由于填方土体的最佳含水量控制不力,压实效果达不到.(4)在填方路堤施工中,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.对于较高的填方路基,通常都要做相应的处治.填方土体压实度不足,其结果是土体前期固结压力小于自重应力和各种附加应力之和,在自重作用下就会发生沉降变形.这些附加应力主要来自以下几个方面:车载,尤其超载情况;含水量变化造成土体容重的改变;地下水位升降而导致浮力作用改变;土体饱和度改变,引起负孔隙水压力改变.这些附加应力引起土体中有效应力改变,从而导致土体发生压

5、缩变形.土体压实度不足还会导致填土路基的侧向变形.目前采用的地基沉降计算方法是假定侧向完全受限,仅有竖向变形.实际路基土中存在有侧向变收稿日期:2002-03-25;修订日期:2002-05-23作者简介:颜春(1977-),男,广西南宁人,壮族,硕士生,从事路基路面工程方面的研究.形,这种侧向变形会引起沉降.图1 填土路基压实度不足导致路基不均匀沉降1.2 地基中存在软弱土层或岩溶软弱土层本身力学性能差,在附加应力作用下,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.有些河谷、水塘虽作了清淤处理,但是处理不彻底或回填材料控制得不好,从而形成人为的相对软弱土层.在高填方填筑后,

6、地基容易出现不均匀沉降,进而造成路基的不均匀沉降,甚至路面开裂.在一些地表水和地下水自然排泄困难的地方,地基土中软弱土层固结过程中的较大沉降变形是产生过大沉降和沉降差的重要原因(图2).有些路段所处地基不属于软土地基,但是处于丘陵低洼、河谷处,长期受水冲蚀,天然含水量较高,在设计时未发现或未作特殊处理,在施工时也未作等载或超载预压,也会产生不均匀沉降.图2 地基中软土层导致路基不均匀沉降图3 碳酸盐岩地区岩溶导致的路基不均匀沉降 在碳酸盐岩地区,路基下有时分布有岩溶洼地或漏斗,其中的沉积物松软,在行车动载的作用下,沉积物压实,侧向流动和下陷,造成路基沉陷.如图3,在昆明至瑞丽公路,有一处属这种

7、类型.该公路通过处为一灰岩地区的凹状地形区,自1991年开始,路面每年下沉约1.5m,1993年79月,每月垫高路面0.5m,侧向变形作用不明显.其原因可能是路基以下为岩溶洼地,洼地内风化残积物疏松软弱,该处在地貌上易于地下水的汇集.在交通荷载作用下,残积物压密和侧向流动,使路基近于垂直下沉.一般说来,土层的天然含水量越高,天然孔隙比越大,则压缩系数越大,承载力越低,则路基的沉降量和沉降差越大;抗剪强度和承载力越低,则侧向塑性挤出甚至局部坍滑的可能性越大.故地基中存在软弱土层或岩溶容易导致路基不均匀沉降.1.3 路基刚度差异显著路基综合刚度是指沉降变形有效深度范围内综合的抗变形能力.由于路基表

8、面并非总是水平,公路构筑物与路基土体刚度差异明显,在相同外力(车载等)作用下,变形量不同,反复作用下,一般会出现两种情况:一是出现明显的差异沉降,导致路基路面裂缝破损;二是虽然没有明显的差异沉降,但在每次外力作用时,路面结构和路基表层内由于差异变形而出现不利的附加拉力或剪力,路面结构和路基表层在这个力的多次反复循环作用下,必然产生疲劳破坏,导致路面或路基病害.很多情况下,单从施工控制角度来说,地基处理满足要求,路堤压实度也能够满足设计要求,在路基及地基均匀时,路基沉降满足规范要求,而且也不会导致路面开裂.但是,如果沿路基纵向或横向路基综合刚度相差过大,在车辆动载等作用下,也会引起明显的差异沉降

9、,导致路面裂缝.属于这种情况的有:桥头与路基交接处,挖填交接处,填土厚度明显变化处,路基中埋设构筑物(如涵洞)处,地基性质差别较大处(图4,图5).1.4 路堤填料不均匀在公路施工过程中,对填料、级配很难得到有效的控制,填料常常是开挖路堑、隧道掘进产生的废方.这些填料性质差异大、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,小颗粒填料和软弱物质很难得到有效压实,在荷载的长期作用下,回填料会产生不协调沉降变形.路面会产生局部沉陷,刚性路面还可能产生裂纹.另一方面,由于回填料的性质不一样,特别是有的回填料具有膨胀性,在路基排水系统局部失效后,水的渗入会使路面局部隆起,影响行车舒适度,

10、严重的会使路面破坏.1.5 复合型路基不均匀沉降的发生,并非上述某一单方面原因,而可能包括设计、施工及其各种荷载作用.典型的如边坡失稳造成的路基路面病害,就是多种原因共同作用的结果.46重 庆 交 通 学 院 学 报 第22卷图4 纵向变形裂缝图5 桥台背填土中的横向裂缝 目前,国内外对这些产生不均匀沉降变形的原因都进行了一些研究,但是这些研究主要还是停留在一种定性分析和单因素研究之上,特别是对于各种因素的计算分析和相互作用上还缺乏系统的研究.美国和欧洲一些国家,将概率分析理论和随机场理论引入不均匀沉降的预估中取得较好的效果,因此,有必要借鉴这些新发展起来的数学方法,就产生路基不均匀沉降因素对

11、路基变形规律的影响、沉降预测方法、数学描述方法等问题进行进一步的深入研究.以是建立一套路基不均匀沉降变形的计算分析方法.2 地下水对路基不均匀沉降的影响分析前面的分析表明,路基不均匀沉降的发生是多种因素综合作用的结果.其中,内因在于路基及地基本身,外因是车载、地下水及自重作用.在地下水的交替作用下,路基土体内含水量反复变化.土体容重在一定范围内波动,更为重要的是,由毛细管张力引起的负孔隙水压力可以达到相当的数值,再加上水的软化、润滑效应,可以使土体产生沉降变形.路基或地基中地下水的动态特征对路基不均匀沉降影响很大.路堤及其地基中的地下水主要补给来源有3种类型,即地下水侧向补给、降雨补给、地表水

12、侧向补给(图6).其动态变化及潜蚀作用影响到土体中的有效应力分布、土体的结构特征和土体强度,从而导致路基的不均匀沉降.图6 路基浸水导致路基沉降 地基中软土层一般总为饱和软土层,位于地下水位以下,而饱和软土层沉降变形总是以渗透固结和次固结沉降为主,并需要相当长的时间才能基本完成.路基填土及车载等在软土层中产生附加应力,这个附加应力首先被软土层中的水承担,称为超孔隙水压力.如果对软土层没有采取强化排水措施或较长时间的超载预压,软土层中的超孔隙水压力消散时间就很长,有效应力增长缓慢,沉降变形就会长时间持续进行.此外,由于路基为条形,软土层中附加应力的分布沿水平向是不同的,会破坏软土层原有水平方向的

13、平衡.所以,软土层在发生竖向沉降的同时,也会在水平方向上产生侧向塑流变形.渗透固结沉降完成后,超孔隙水压力基本消散,但是粘粒之间并没有达到平衡状态,这种粘粒之间为平衡而进行的调整,称为次固结沉降.填方路堤及其地基中高于地下常水位部分,其中的地下水主要来自降雨补给,其中的含水量变化于饱和和非饱和状态,处于非饱和状态的时间一般多于处于饱和状态的时间.当然,受到气候条件(干旱、半干旱、潮湿)的影响,其中含水量变化的速率也会不同.在含水量变化的过程中,土体中的有效应力也会发生变化.下面我们简单探讨一下其中的有效应力问题.由太沙基给出饱和土体的有效应力计算公式:=-u(1)56第1期 颜春:填方路基不均

14、匀沉降原因分析及处治措施式中,有效应力;总应力;u 孔隙水压力.非饱和土体中,水的存在状态有3种:结合水、毛细水(或称为毛管水)和封闭的重力水.强结合水在水力作用下是不能移动的,可以视为固体的一部分;粘性土体中弱结合水在水力作用下可以缓慢参与运动.总体上,结合水可以使土体容新发生改变.毛细水依靠气-水界面弯液面的表面张力吸附于土的空隙中,由于土体总是亲水性的,弯液面呈凹形,土中水受到附加的负水压.对于细粒土,可用于计算因毛管现象而形成的土的吸力.由于吸力而引起的负孔隙水压力可以达到很大的数值.例如,对于5的颗粒占一定数量的粘土,其孔隙直径的量级可取0.2,室温时水的表面张力为0.075N/cm

15、2,则毛管张力为150N/cm2,由此可以看出毛管压力的量级.随着含水量的增加,孤立的毛细水会相互联系起来,可以传递静水压力,并可缓慢转移,土体的吸力随含水量的增加而减小.非饱和土体中的封闭水可以改变土体的容重.土体中的气体在封闭条件下,也可以传递压力.由此可见,影响土体中有效应力的主要是毛细水,其次是土体中的气体.饱和土体有效应力方程的建立,促使许多学者考虑孔隙空气压力和吸力的变化而提出若干类同的非饱和有效应力方程.最常见的非饱和土体有效应力方程形式为:=(-ua)+(ua-uw)=-u3(2)式中,u3 为等效孔隙压力,u3=ua-(ua-uw).故有效应力是施加应力-ua和吸力ua-uw

16、的函数,也是总施加应力大于等效孔隙压力的超应力.参数取决于饱和度、土类、干湿循环以及荷载和吸力的应力路线,干土时,=Sw=0(Sw为土体饱和度),此时,=-ua;完全饱和时,=Sw=1,故=-uw.研究表明,路基中含水量变化,其中的有效应力相应改变,同时土体容重也会发生变化.这样的变化是经常的、反复的.这种交替作用必然引起土体的沉降变形.3 分析得出的主要结论通过对上述几种填方路基非均匀沉降模式的简要分析,得出如下几个主要结论:(1)填方路基土体压实度不足,路基土体的先期固结压力小于自重应力,路基土体将在自重作用下,继续沉降,直至先期固结压力等于自重应力.(2)地基土体中存在饱和软土层时,由于

17、渗透固结和次固结需要一段较长时间,在公路通车后的一段较长时间内,沉降会持续进行.地基由于处理不当会导致不均匀沉降,引起路面病害.(3)路基刚度差异,在车载等动态荷载下,在路面结构内可能造成较大的附加不利应力,导致路面破坏.刚度较小的路基也可能因车载累积作用发生明显沉降.(4)地下水的动态变化,将引起土体容重、孔隙水压力等的变化,尤其是负孔隙水压力,可能对土体产生较大的附加压力.这些附加压力,能造成填土的附加沉降.(5)填料不均,回填料的材料组成和性质差异,可能引起不均匀沉降,导致路面的局部开裂或沉陷.(6)填土路基的侧向变形也是路基产生不均匀沉降的原因.有效地限制侧向变形,可以减少不均匀沉降.

18、4 解决措施根据上述结论,并总结以往的设计方法与施工经验,从设计方法与施工两个方面着手,介绍国内外对填方路基非均匀沉降的处治措施,以避免及减小路基不均匀沉降的发生.4.1 设计方法方面处治路基不均匀沉降的方法较多,但各有利弊.国外对路基沉降及不均匀沉降的处治措施主要有:采用低级路面过渡;采用桥头搭板处治桥头沉降;应用土工合成材料(土工格栅、塑料网格等)进行加筋或制成柔性褥垫层,使之调节和控制不均匀沉降;)应用超轻质EPS泡沫综合处治沉降.采用低级路面过渡和桥头搭板避免不均匀沉降是目前用得最多的处治措施,前者是一种比较被动的手段,后者根据工地调查发现,根据目前桥头搭板设计方法进行处治的桥头均出现

19、大量的搭板与路基分离,搭板在汽车荷载作用下出现后期的断裂,跳车等病害.土工合成材料处治不均匀沉降,国外在20世纪80年代就已采用,瑞典将其作为柔性褥垫处治半挖半填路基不均匀沉降获得满意效果;国内利用土工合成材料处治不均匀沉降也作过尝试和试验,如重庆交通科研设计院在20世纪90年代初期,采用土工合成材料处理广西南梧公路沉降、90年代末期采用土工合成材料处理重庆渝长高速公路不均匀沉降获得较好效果,长沙交通学院采用土工格栅处理桥头跳车取得较好效果.值得注意的是国际上普遍认66重 庆 交 通 学 院 学 报 第22卷为土工合成材料是处理不均匀沉降的有效措施,而且土工合成材料除了对地基有加筋作用外,还有

20、滤层、排水、隔离、防护、防渗等作用.因此采用土合成材料处治是一种值得推广的处理路基不均匀沉降的有效措施.但对其设置方法、作用效果、设计计算方法等问题却未进行深入研究试验.超轻质EPS泡沫块用于处治不均匀沉降,国外已获得成功,日本、法国、挪威等国采用它成功地解决了桥头路堤不均匀沉降问题.国内重庆交通设计院早在90年代初就关注该项技术,并编辑了专题情报资料,但对其试验研究却未进行.目前发展起来的压力灌浆法与强夯法也是处治路基不均匀沉降的有效措施.压力灌浆法,是利用机械施加高压,把能固化的浆液压入土体空隙,浆液凝固后,把压力区范围内的土体固结,使松散的土颗粒形成整体达到控制沉降,减少不均匀沉降的目的

21、,特别是针对公路路基下局部软弱土基的处治,可以直接改善土体结构,固结土体,控制沉降.重庆交通科研设计院采用灌浆技术成功地解决了国道108线广元段路基沉降及开裂问题.从加固机理方面进行分析,这种方法是可行的.但是这种方法在实践中可灌性如何,其压浆工艺、材料、适用范围等都还需要进行进一步研究.强夯法处治是利用大能量直接作用在被处治范围上,通过整体提高被处治体的密实度来减少不均匀沉降变形.其作用效果明显,施工速度快.20世纪90年代末重庆交通科研设计院曾采用强夯技术成功地处治了重庆渝长高速公路路基沉降问题,但是这种方法对结构物的动力冲击较大,限制了其在桥头、涵洞等部位的应用.而且强夯的设计计算方法、

22、质量检测评价方法等还有待进一步研究.上述所提及的这些方法仍有许多未完善的地方,目前云南省某高速公路在进行填方路基不均匀沉降综合处治技术研究的试验工程,项目主要采用4种方法处治不均匀沉降:土工合成材料处治;强夯法处治;桥头搭板;压力灌浆法处治.该项目将针对目前不均匀沉降处治的发展趋势,借鉴已有的研究成果,重点研究这些方法的合理结构形式、质量检测评价方法.进一步完善这些方法.总结出一套解决填方路基不均匀沉降的综合处治措施.4.2 施工要求方面总结以往的施工经验,主要从以下一些方面进行控制与预防:4.2.1 路基施工采用水平分层填筑施工即按照横断面全宽分成水平层次逐层向上填筑.4.2.2 分层施工摊

23、铺厚度按90%控制采用机械压实时,分层的最大松铺厚度,不应超过经试验确定各类土的松铺厚度的90%,从而有效控制压实度.4.2.3 严格控制填土含水量,施工时要高于最佳含水量1%2%压实施工时,土方含水量能尽量接近最佳含水量.避免出现压实时含水量小于最佳含水量,土粒间的润滑作用不足,即压力不足以克服土粒间的摩擦力土中的空气不能排除、土粒间无法靠扰.因而难以达到最大密实度;如果大于最佳含水量,又会产生由于水分过多,土粒被水膜包围而分散得过远,不能达到最大密实度.4.2.4 加强路基边部压实在土方路堤的填筑过程中,往往由于路基边部压实困难,而忽略了边部压实工作.为保证边部压实强度,需采用J型手扶式振

24、动夯,从而保证路基的整体稳定性.4.2.5 提高小桥涵的施工进度,桥涵两侧填土要精心施工在各项工程实施时,都要把小桥涵的施工安排提前,从而保证两侧填土能均匀进行,保证路基填土的整体稳定性.桥涵两侧填料必须采用透水性良好的砂性土,适时分层回填压实.填土的范围;台背填土顺路线方向长度20m范围内,并且台背填土应与被坡同时填筑,在回填土时,应均匀分层回填夯实、对于边部可用小型压实机械压实,分层松铺厚度应小于20cm,严格控制含水量,从而有效避免桥头跳车.4.2.6 避免不利季节施工填土的含水量过大,或冻块过多,都是造成路基不均匀沉降的直接原因.直接危害路面的使用寿命.4.2.7 注意不良地质段的施工

25、对于不良地质地段一定要清理软弱层,设计给定不足部分也要清理.然后换填透水性材料,其是低填方路段要注意满足路基工作区的要求,有必要时要设置砂砾隔离层、路基深度、宽度长度都必须到位,不留丝毫隐患.4.2.8 注意挖方段、填挖交界处施工针对这几段必须采用透水性材料换填80cm.充分压实,在填挖交界处要加长、换填长度、逐步过渡、76第1期 颜春:填方路基不均匀沉降原因分析及处治措施不要形成突变、使荷载应力分布均匀,并且两侧边沟排水要引至沟底,避免路堤的浸湿.另外就是通过刚性基础、半刚性基础、柔性基础的过渡来消除桥头不均匀沉降,但需要增加造价及工程量,这种方法是事后处理方法,一般不宜采用.参考文献:1

26、张志祥,赵体昌,徐文远.如何避免路基不均匀沉降问题的探讨J.森林工程,2000,16(5):57-58.2 陈建军.高路堤不均匀沉降对半刚性基层结构的影响J.华东公路,1990,(4):6-9.3 黄晓明.软土地基上夹层路面结构的应力分析J.岩土工程学报,1994,16(1):69-78.4 蒋彭年.非饱和土工程性质简论J.岩土工程学报,1989,11(6):39-58.5 黄文熙.土的工程性质M.北京:水利电力出版社,1983:25-27.6 钱玉林,殷宋译,曹正康.软土地基上高等级公路路堤沉降的研究J.华东公路,1995,(2):7-12.The analysis for filled s

27、ubgrade worksinhomogeneous settlementand the disposal measuresY ANChun(ChongqingJiaotong University,Chongqing 400074,China)Abstract:Based on the simple analysis on the cause of the inhomogeneous settlement on the filled subgrade of highway,the article concludesthe corresponding disposal measures and

28、 methods to protect from the settlement.Key words:subgrade;inhomogeneous;settlement(上接62页)Laboratory research abroad on the additives to improve the characteristicsof the asphalt mixturesWU Shao2bo1,WANGJiang2,WEIHong3,ZHANG Hai2long2,PAN Zhi2ke3(1.Chongqing City Construction Design Institute,Chongq

29、ing 400015,China;2.Zhongtong Highway Company,Shueiling Sicuan 629000,China;3.ChongqingJiaotong University,Chongqing 400074,China)Abstract:Based on the early strength and water resistance of mixtures stabilized with bitumen emulsion,this paper introduced the abroad labo2ratory strength and other inde

30、x of the mixtures stabilized by the ordinary Portland cement and another additives which indicates the ordinaryPortland cement can significantly improve the early strength and water resistance.Key words:mixtures stabilized with bitumen emulsion;indirect tensile strength;water resistance;additives.86重 庆 交 通 学 院 学 报 第22卷