高速公路路基沉降及施工特性研究

摘要：现有研究表明，高速公路在外部动态荷载冲击激励作用下会造成路基出现流变变形而引发不均匀沉降，出现路面开裂和破损等病害。通过对高速公路的路基沉降及路面动力施工特性规律进行了分析和讨论，就如何全面管控高速公路的路基沉降提出了针对性的改进措施和建议，以供类似工程参考。

关键词：路基路面；病害；沉降；交通动荷载；荷载激励

截止到2020年，我国的高速公路总里程已经达到15万km，公路总里程已经位居世界第一。在高速公里快速增长的背后，是我国经济的高速发展和公路需求的不断增加。目前我国的高速公路路面大多采用的是柔性沥青混凝土或者刚性水泥混凝土两种路面结构。根据公路设计规范《公路工程技术标准》（JTGB01-2014）可知，高速公路各种材料设计强度如表1所示。一般来讲，高速公路的沥青混凝土路面的设计施工年限不得低于15年。刚性水泥混凝土路面的设计使用年限不得低于30年。但是在高速公路的设计运营期间，往往发现路面结构在通车不久之后便发生了沉降和破裂等问题。有的高速公路甚至在通车运营后数月时间内，就出现了断裂、翻浆、沉陷等病害。分析认为，我国地形以山地丘陵为主，高速公路地质条件复杂多变，路基在施工完毕之后，常常存在着一定的流变变形。这种流变变形在汽车荷载的共同作用下，会对高速公路路面整体结构产生巨大影响，造成路面局部脱空和破损，大大降低了高速路面的耐久性和使用寿命。目前国内外学术界关于高速公路路基的沉降及路面动力施工特性的研究较多。例如，美国的公路协会就对美国的高速公路路面破坏的原因进行了调查和分析，通过分析指出，绝大多数路面破坏是由于高度公路路基沉降而导致的，而路基的流变又是造成路基沉降的主要诱因。国内不少的学者的研究也得到了相同的结果[1-3]。这些研究指出，由于路基结构出现沉降，导致路面沥青结构受力状态发生扰动，长期的静力作用便会加速高速公路路面的破坏。实际上，高速公路的路基沉降和路面的破坏，不仅仅是在静力作用下产生的。在实际施工过程中，施工机械和运营期的汽车冲击荷载都会导致路面发生沉降。而这种动力特性是传统研究的静力学无法描述的，如路面材料在动力荷载作用下发生的疲劳开裂、材料松散等。高速公路的路基沉降的动力特征，是由于路面不平和车辆的动态荷载随机发生的。这种特性与车辆的结构、速度和载重等因素有关。对高速公路路基沉降的施工动态特性展开深入研究，有助于寻找高速公路路面损伤和路基沉降等问题发生的规律，对指导高速公路施工、病害整治和预防都具有十分重要的现实意义。

1高速公路路基沉降类型

在工程上，对于高速公路的路基沉降而言，由于其具有非常多的影响因素，同时受限于技术原因，对于路基的沉降的计算分析是十分困难的。总体而言，高速公路的路基沉降的原因可以分为宏观和微观的两种。对于宏观的路基沉降，常见形式有土内孔隙压缩产生沉降、排水固结沉降、侧向挤出等多种类型。微观方面的路基沉降形式主要有土粒蠕动、土粒薄膜水的转化等。高速公路的路基沉降是一个十分复杂的课题，很难对其沉降的动力特性展开研究，本章结合具体的工程案例，就高速公路中常见的几种路基沉降类型进行分析。

1.1高填方路基沉降

耒益高速K465+800～K466+200段为高填方路基段，该段填方路基的典型横断面如图1所示。这一段地质条件主要为中风化灰岩和白云质页岩以及石英砂岩。路基的施工方法为机械化分层碾压。路堤的填方平均高度为3m，每一层用18t压路机静力碾压、振动压实，辅以人工找平的方法施工。目前该高填方路基路面存在的问题，主要是路面出现许多纵横交错的十字裂纹，裂纹宽度在1～2cm。这种裂缝在交汇处边存在较为严重的路面破损，如图2所示。对这段路基的病害进行分析发现，造成这种路面开裂的主要原因是路基的不均匀沉降。

1.2深路堑路基段

耒益高速公路K504+200～K504+500段为典型的深路堑路基段，路基典型横断面如图3所示。这一段地质条件主要第四系粘土、亚粘土及石炭系灰岩。同时通过勘察发现，该地区由于灰岩发育存在着不同程度的溶洞和溶蚀裂隙，地下水较发育。该段路基的施工方法为分层开挖，每一层用18t压路机静力碾压、振动压实，辅以人工找平的方法施工。该段路基的表面平台主要为纵向裂缝，宽度约为2cm，深约5cm，如图4所示。通过现场调查发现，该段路基为软土地基。分析认为软土地基土质不均匀，在路基施工过程中，左右幅距离碾压不一致造成不均匀沉降，进而引发纵向裂缝。

2高速公路路基沉降的影响因素

2.1自然因素

通过调查分析可知，自然因素是耒宜高速路基沉降其中一个重要因素。路基沉降段属于软土路基，路基当中含水量较大，在温度下降或者上升过程中，容易发生结冻或者失水现象。水分的变化会导致路基出现承载力变化，进而导致路基沉降。

2.2人为因素

除了自然因素之外，人为因素也是路基沉降的一个重要原因。在此我们所讨论的人文因素，主要是由于设计阶段对地质勘察工作存在一定的局限，导致实际施工数据和设计数据不相符。另外在施工过程当中，施工机械荷载的动力特征没有充分考虑到，在施工动力荷载的激发下，也加剧了路基的沉降。

3路基路面动力特性研究

以往对路面动力特征的研究和重视一直处于缺失状态。施工的动力特征并不是一个瞬间完成的，而是长期作用下随机发生的。在这种动力特征作用下，路基的沉降是很难直接发生和观察到的，需要我们对施工动力特征、规律进行深入观察和研究。

3.1路面激励特性

对于高速公路的路面施工而言，不可能做到完全的整平。在微观方面上的凹凸不平，虽然满足高速公路施工质量要求，对行车驾驶品质没有任何影响。但是在施工过程中，路面的不平会激励机械动力，给机械分动力特征造成一定影响，因此我们需要对路面平整度进行监测。现有的工程测量结果精度有限，同时受制于成本和测量人员的专业技能水平，测量的结果往往不能够准确反映出施工动力特征。

3.2车辆荷载分析

在路面平整度影响因素之外，车辆荷载也是施工动力特征的一个主要影响因素。车辆的动力特征与车辆的型号、载重、速度都有直接关系。车辆在行驶过程中的振动和加速制动都会施加到路面，并传递道路基结构上，造成路基的分离和流变。

4路基沉降管控措施

基于高速公路路基沉降和施工动力特征，在高速公路中我们可以通过以下几点措施来全面管控路基沉降。

4.1沉降观测技术

在填方路基段在路基填筑之前，需要对基地进行处理夯实。在路基填筑过程中，应当分层填筑分层碾压，并对每一层的填筑和碾压速度进行监控，防止沉着速度够快。通过监控数据，对路基的沉降进行有效预测，可以帮助人们了解路基的稳定状态。

4.2降低地下水位

地下水是造成路基沉降的一个主要因素。如果地下水位过高，使路基始终属于饱和状态，会加速路基的流动变形。对此在施工之前，需要严格控制地下水水位，防止地下水位过高。另一方面，地下水的含量过高，会使路基当中的土体始终处于松散状态，在路基碾压时，路基强度和弯沉值很难达到设计标准。在施工完成之后，土体当中的水分会随着外部环境的变化发生冻结和流失。这种情况加剧了路基的沉降和路面损伤破坏，因此严禁在没有对地下水位进行处理之前，就进行路基夯实碾压。

4.3地基处理技术

相对于普通公路来说，高速公路路线距离长、地质条件复杂、设计标准等级高，路基处理起来难度更大，对技术要求更高。常见的路基处理技术有软土换填、灰土桩、挤压抛淤等。在高速公路路基处理过程中，需要运用多种类型的工程材料和机械设施。就本文中的耒益高速而言，它的路基沉降大多数是发生在软土路基段，结合当场的地质条件提出了排水固结和灌浆改良的措施。采用上述处理措施，路基的沉降得到了有效缓解。通过一段时间的监测，发现其处于较为稳定的状态。

5结束语

目前我国的大量高速公路当中，由于路基沉降造成的工程质量问题十分普遍，给施工企业和社会造成了难以估量的经济损失。以往的施工往往忽略了动荷载对路基沉降的影响，本文在对高速公路路基沉降施工动力特征和规律进行分析基础上，结合耒益高速中典型路基沉降病害，就地基沉降的原因进行了分析，就具体的防控措施提出了一些建议。路基沉降的施工动力特征是十分复杂的一个力学过程，目前的研究还存在着许多的不足，很难彻底防止施工动力荷载对路基的影响，需要在以后的科学实践当中进一步的研究，以彻底杜绝路基沉降的发生。

参考文献

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作者：田斌 单位：中铁十八局建筑安装工程有限公司