填挖交界路基差异沉降分析及其处理措施

摘要：在山区修建高速公路，不可避免的遇到填挖交界路基，如果处治不当，则会出现各种路基路面病害。本文结合具体的工程实例介绍了填挖交界路基差异沉降的机理和其计算方法，差异沉降的处理措施。

关键词：填挖交界路基；差异沉降；分析；处理措施

中图分类号： U213.1文献标识码：A 文章编号：

引言

山区通常为经济欠发达地区，发展山区经济，道路建设是必不可少的。在丘陵区、半山区修建高速公路常遇到路基纵、横向填挖交界问题。填挖交界路基是一部分路堑，及另一部分路堤相组合的路基结构形式。即在原地面的纵横向斜坡上，将路堑开挖的岩土材料填筑为下部路堤，以补充路基达到设计宽度及高度，在山岭重丘区公路建为下部路堤，以补充路基达到设计宽度及高度，在山岭重丘区公路建设中，这种结构因具有施工速度快、工期短、填挖平衡和工程投资总额少等优点且被经常采用。

填挖两侧路基土性质差异导致其强度和稳定性的差异，这些部位若填挖高度过大或原地面过陡，将引起工后差异沉降，若处置不当，会导致路面的纵、横向产生裂缝，致使路面结构早期破坏，大大影响公路的使用寿命。

差异沉降机理分析和计算

从总体上看，填挖交界路基具有如下共同特点：由于断面上材料或几何参数的不同，将导致断面上易产生差异变形，而差异变形将对上承结构(路面、轨道、道面)产生附加力学响应，将直接导致上承结构的使用寿命大大缩减。

如横向半填半挖路基在路基横断面上填挖方材料性质明显不同，纵向填挖交界路基在路基纵断面上填挖方材料性质明显不同，导致在线路纵向上刚度出现差异，出现类似路桥过渡的特点。

填挖交界路基差异沉降机理

自身原因

1.不论是横向半填半挖还是纵向半填半挖，填挖交界路基下地基具有较大的坡度。如果原地面与填土间的约束阻力不足阻挡填土重力产生的下滑力，则导致填土沿着原地面产生滑动，从而在呈现为不均匀沉降。

2.由于并不像路桥过渡段的突变，填挖交界路基从挖方过渡到填方，都是逐渐过渡的，填方段的填土厚度由一个从零到最大厚度的过渡，过渡段的长度取决于原地面的坡度和路基最大填土高度。由于填土段填土厚度在垂直方向存在差异，因此工后也会表现出沉降的不均匀性。

3.由于地基的性质差异和所受荷载大小的不同，使得地基产生不均匀沉降。

其它原因

填方段存在不良地基。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。在填方段存在软土地基、膨胀土地基、湿陷性黄土地基等不良地基，如果处置不当，则工后会产生不均匀沉降。

2. 填挖交界过渡段处治措施不当。有些施工单位在填挖交界路基施工时，未严格按照要求进行开挖台阶，或者台阶开挖不到位，不密实，尺寸不符合要求。这样在碾压的过程中就会产生漏压区。漏压区在自重和荷载的作用下压缩密实，进而产生较大的沉降量。

3. 施工工艺不当。选用合适的压实方案，压实机械，如碾压速度、碾压遍数、土的松铺厚度，保证土的最佳含水量，对确保填土路基的质量至关重要。

4. 选用填土材料不当。理想的填土材料应该具有较高的密实度，较大的内摩擦系数，较好的强度和水稳定性。但施工时往往由于条件所限，不得不而选用不良的填土材料，如用过湿土填筑路基，其含水量高，承载力低，稳定性差，容易变形。

差异沉降计算理论

在路面结构层的重力和交通荷载影响下，挖方路基会出现沉降量Sw，填方路基在填土自重，路面结构层重力和交通荷载出现沉降量St。为了简化计算，对计算模型作如下假定：

1. 假设填方段和挖方段基底在同一水平面上，整个路基的高度等于填方段填土的高度。

2. 路堤土认为经过充分压实，可认为其固结沉降基本完成，只作为路堤荷载作用在软土地基上。

3. 只考虑在填方段基底水平铺设一层土工织物对沉降计算的影响。

挖方段路基的总沉降量Sw。可根据《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》中公式来计算：

(1)

式中m为经验系数，与地基条件、荷载强度、加荷速率等因素有关，其范围值为1.1~1.7。表示主固结沉降。

填方路基的总沉降量Sw为填方路基下地基的沉降S1和路堤本身在自重作用下产生的沉降S2之和

Sw＝S1+S2 (2)

其中：S2为填方路基在自重下产生的沉降量，根据式(1)计算可得。S1为填方路基下软土地基的沉降量，要分AF和FB两部分来考虑：

设加筋部分FB下软土地基的计算深度为h，软土层的平均变形模量为Es则FB部分的沉降为：

(3)

式中：为加筋后软土层深度z处的附加应力，由Boussinesq解求解。

填挖交界路基总沉降差：根据上述公式计算得出填挖交界路基的最终沉降量。因而可得到交界路基总的不均匀沉降为：

(4)

根据上述方法计算得出填挖交界路基的最终沉降量分别为Sw和St，再由固结系数推算出填挖交界路堤施工期间的固结度分别为Utt, Utw。则路基施工后，填挖交界路基的工后沉降值为填方路基的最终沉降量减去挖方路基己完成的沉降量的差值，再乘以未完成的固结度。即路基的工后沉降计算公式为：

(5)

填挖交界路基差异沉降处理措施

国内高速公路修筑过程中，针对横向填挖问题，尝试了多种处理方法。一方面通过对施工过程控制来降低路基的差异沉降；在填挖结合部采用重锤夯实；开挖台阶后，铺设土工格栅或者土工格室，如在太古公路，经现场检测和长期观测结果表明，采用土工格室加固后的路基回弹模量提高一倍以上，填挖交界处路基沉降无突变，呈平缓过渡形势，最大工后沉降仅18mm；在杭甬高速公路在拼接拓宽过程中，首次将路堤桩用于高速公路的地基处理中，达到了控制差异沉降的目的，但没有提出具体的设计方法；在惠河高速公路，采用土工格栅结合冲击压实的方法对填挖交界进行处理，控制了沉降；栖莱高速公路1B标段K59+470～K59+630半填半挖段路基的处理，根据现场地形地貌及工程地质条件，经过大量的现场调查、理论计算和科学实验，采用以锚杆、锚定板技术为主的坡间挡土墙建设方案。工程结束后进行监测表明坡间挡土墙“双锚”建设方案是成功的。

通过以上资料分析，目前过内外关于软基、桥头处和纵横向填挖交界处差异沉降的控制方法已有许多系统的研究，提出了一系列解决方法，并在公路实践工程中加以应用验证。而有关山区高填方路基差异沉降控制方法的系统研究还不多。

本文认为，山区高填方路基差异沉降存在以下几个方面：1.地基处理；2.高填路基与挖方路基的纵向填挖交界；3.高填方基与桥头连接处；4.地下构造物涵洞、通道处；5.高填路堤自身的沉降问题。

工程实例

吉林省长春到四平一级公路，公路宽度为全幅时28m。路基横断面形式：路基宽度13m，行车道宽为9.0m，硬路肩宽度为2.5m，土路肩宽1.5m。路面采用单向横坡，行车道、硬路肩横坡2%，土路肩横向外侧3%。公路设计行车速度为100公里/小时的一级公路标准。

根据地质勘察资料，地表有一层60cm厚的低液限粘土，其容重γ＝18.6kN/m3，粘聚力c＝13kPa，内摩擦角φ=30°，波松比μ＝0.33，弹性模量E0=60MPa。其下为风化砂，其容重γ＝18.8kN/m3，内摩擦角φ=24°，波松比μ＝0.30，弹性模量E0=20MPa。填方路堤是挖下来的岩土体压实分层填筑，填土高度为3.5m，路基宽度为12.75m，路堤坡高比为1：1.5。

根据以上参数和假定按照本文公式(5)计算出差异沉降为5.72cm，比较大。因此，此处应该采用适当措施控制差异沉降。计算结果和实际工程中，差异沉降比较大是一致的。

为控制不均匀沉降，拟通过加筋柔性材料来实现。柔性材料在填土重力作用下，通过变形对应力的调整能力，来达到控制差异沉降的目的。根据土工格栅加筋原理，本文采用土工格栅加筋方案。在施工以后，再次利用公式(5)进行差异沉降的计算，结算结果控制在了2cm以内，大大降低了差异沉降，说明该方案行之有效。

结语

本文通过理论计算，发现吉林省长春到四平的一级公路的填挖交界处出现较大差异沉降，如果处治不当，会出现纵向裂缝、基础开裂、沉降缝拉裂等危害行车安全的现象。通过采取土工格栅加筋的方式将差异沉降控制在较小范围内，取得了良好的效果。