高速公路路基沉降影響因素及建設(shè)期施工過(guò)程控制

高速公路路基沉降影響因素淺析及建設(shè)過(guò)程的管理與控制隨著高速公路事業(yè)的蓬勃發(fā)展，公眾對(duì)高速公路的質(zhì)量要求也在不斷提高，這樣就促使高速公路建設(shè)者要不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)真把好質(zhì)量關(guān)。路基是高速公路的重要組成部分，路基施工的好壞直接影響路面的穩(wěn)定，而反映路基質(zhì)量好壞最顯而易見(jiàn)的體現(xiàn)就是沉降。因此，只有盡量的減少工后沉降和不均勻沉降的發(fā)生，才能保證路基具備足夠的使用功能。1.高速公路路基沉降超過(guò)設(shè)計(jì)允許值后造成的危害：高速公路路基的質(zhì)量通病一般表現(xiàn)為路基整體或局部不均勻沉降；路基縱向或橫向開(kāi)裂；路基滑移或者邊坡坍塌等等。這些質(zhì)量通病中，大部分的成因源于路基沉降。路基沉降一旦超過(guò)設(shè)計(jì)允許值，就會(huì)對(duì)道路的整體性能和使用功能造成嚴(yán)重的危害。如：在軟土地基上填筑路基時(shí)，如果軟土層滑動(dòng)或者擠壓，路基就會(huì)失穩(wěn)，路面跟著也會(huì)變形；在荷載的作用下，地基產(chǎn)生的不均勻沉降將導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)和功能損壞，從而使路面使用品質(zhì)下降；在與橋涵等構(gòu)造物連接處產(chǎn)生差異沉降，不僅會(huì)直接影響構(gòu)造物的安全，而且橋頭跳車引起車輛的劇烈跳動(dòng)，會(huì)影響行車的平順和乘客的舒適，嚴(yán)重引發(fā)交通事故。因此，防止路基沉降對(duì)提高高速公路使用品質(zhì)和保證高速公路使用壽命具有重要意義。要盡量減少路基沉降，必須在建設(shè)期間加大對(duì)設(shè)計(jì)階段和施工過(guò)程的控制，以盡量減少工后沉降和不均勻沉降。2.高速公路路基沉降的成因分析：路基沉降主要包括兩部分，地基沉降和路堤本身的壓縮沉降。路堤填土邊坡因壓縮沉降造成的垮塌也屬于路基沉降，但路塹邊坡因?yàn)殚_(kāi)挖對(duì)原自然坡面造成損壞，因防護(hù)不當(dāng)造成的垮塌則不屬于路基沉降范疇。路基沉降產(chǎn)生的原因包括路基填料不符合要求，填筑方法不合理，壓實(shí)度不足，在路堤內(nèi)部形成過(guò)濕或空洞夾層等等因素。主要的成因是填土在荷載和水溫綜合作用下，引起的路基本身的壓縮沉降，本質(zhì)是由于地基本身或者路基土層的固結(jié)壓縮排除空隙中的水分或空氣，導(dǎo)致整體體積減小而造成的。2.1造成高速公路路基沉降的成因造成高速公路路基沉降的成因有很多。主要包括：工程地質(zhì)條件的原因。工程地質(zhì)條件不良，原地面比較軟弱，若填筑前未進(jìn)行清淤換填或者其它軟基處治方法，就容易形成壓縮下沉或擠壓位移；工程地質(zhì)條件復(fù)雜，當(dāng)路堤穿過(guò)溝谷時(shí)，溝谷中心填土量最大，向兩端逐漸減低，由于填土高度不同而產(chǎn)生不均勻下沉。當(dāng)?shù)厮臍夂虻脑?。如果道路處于的地段降雨量過(guò)大、洪水、冰凍、積雪或者溫差過(guò)大，都可能使高填路堤產(chǎn)生不均勻沉降。路基填料的原因。路基填土中如果混入種植土、腐殖土、淤泥等劣質(zhì)土，或土中含有未經(jīng)打碎的大塊土或凍土等；路基填石中石料規(guī)格不一，性質(zhì)不勻，亂石中空隙過(guò)大，一旦雨水侵入后沖刷掏空，這些因素在較短期限內(nèi)都可能產(chǎn)生局部明顯下沉。設(shè)計(jì)方面的原因。設(shè)計(jì)方面的原因包括斷面尺寸不合理，邊坡取值不當(dāng)，排水、防護(hù)與加固不妥，未對(duì)高填方路堤進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，且施工工藝、填料未做特別要求說(shuō)明等等。施工方面的原因。施工方面的原因有很多。如：填筑順序不當(dāng)，未在全寬范圍內(nèi)分層填筑，填筑厚度不符合規(guī)定，填料質(zhì)量不符合要求，水穩(wěn)定性差；原邊坡沒(méi)有去除植被、樹(shù)根，未做臺(tái)階處理；不同性質(zhì)的填料混填而致使不同種類土的壓縮性和抗水性差異形成沉降；施工過(guò)程不注意排水，遇到雨天路基積水嚴(yán)重，無(wú)法自行排水形成水囊，晴天施工時(shí)未排除積水，未有效控制含水量就繼續(xù)填筑等等?？傊?，施工過(guò)程的控制至關(guān)重要，施工單位責(zé)任心不強(qiáng)，監(jiān)理控制不嚴(yán)格，是施工方面造成不均勻沉降的重要原因。2.2較常見(jiàn)的沉降成因分析設(shè)省內(nèi)某高速公路穿越某峽谷，施工過(guò)程完全按照《湖北省公路建設(shè)項(xiàng)目精品工程工作大綱》的要求，填料合格率符合規(guī)定，工后沉降量控制在3cm以內(nèi)，下路堤150cm以下路基壓實(shí)度控制在94以上。填土和分層碾壓后，如下圖所示：我們知道，路基固結(jié)總沉降量S包括三部分：S=&+Sf+So。其中，＆為瞬時(shí)沉降；Sf為主固結(jié)沉降；So為次固結(jié)沉降。瞬時(shí)沉降是由于剪切變形而產(chǎn)生的附加沉降，不是土體體積壓縮產(chǎn)生的沉降；主固結(jié)沉降是加荷后土體內(nèi)孔隙水壓力逐步消散而產(chǎn)生的體積壓縮變形；次固結(jié)沉降是指主固結(jié)沉降發(fā)生以后繼續(xù)發(fā)生的沉降。上圖的道路穿越某溝谷，出于地形的限制必須要進(jìn)行分層碾壓，我們分別設(shè)為S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8等等。從上敘公式我們顯而易見(jiàn)，由于S值一定大于0，所以S1+S2一定大于S1；S1+S2+S3一定大于S1+S2。依次類推，隨著填土高度的增加，沉降量也在不斷增加。不難發(fā)現(xiàn)，從路基填土兩側(cè)到路基填土中央的ΣS值呈遞增發(fā)展，不均勻沉降極易發(fā)生。3.減少路基沉降量和避免不均勻沉降發(fā)生，必須嚴(yán)格控制設(shè)計(jì)和施工全過(guò)程以某剛剛建成通車的高速公路為例。該高速公路穿越地段多為平原微丘，淤泥、河谷、溝渠較多，全長(zhǎng)131.141公里。設(shè)雙向4車道，全封閉、全立交，設(shè)計(jì)速度采用100km/h和80km/h兩種，路基寬度分別為26米和24.5米。全線設(shè)計(jì)土石方為1998萬(wàn)M3，平均每公里土石方26.202萬(wàn)M3/km，特大橋5座7162米、大橋64座19359延米、中小橋46座2097延米、涵洞248道、隧道4座3290米、互通式立交9處、分離式立交10處、通道及天橋238座等等。一期土建工程合同段共有14個(gè)施工標(biāo)段和4個(gè)監(jiān)理標(biāo)段。該高速公路工程建設(shè)指揮部在對(duì)路基施工質(zhì)量上予以高度重視，規(guī)定質(zhì)量目標(biāo)為分項(xiàng)工程合格率100%，優(yōu)良率95%以上，努力實(shí)現(xiàn)精品工程目標(biāo)。其中對(duì)路基壓實(shí)度的規(guī)定相當(dāng)嚴(yán)格，如：橋頭臺(tái)背部位及一般路基的壓實(shí)度較交通部JTGF80/1-2004《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》提高一個(gè)百分點(diǎn)，上路床及零填段達(dá)到97%。在設(shè)計(jì)階段和施工階段，他們對(duì)路基質(zhì)量進(jìn)行了嚴(yán)格控制，在減少沉降量和避免不均勻沉降方面做了積極的預(yù)防處治措施，取得了較好的效果。3.1設(shè)計(jì)階段的控制3.1.1做好地質(zhì)勘探調(diào)查。該高速公路的勘探與設(shè)計(jì)嚴(yán)格按照勘探設(shè)計(jì)規(guī)定的時(shí)段和程序執(zhí)行，先后經(jīng)歷了初勘初測(cè)、詳勘詳測(cè)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)等階段。對(duì)路線經(jīng)過(guò)的地形、地貌、水文地質(zhì)條件進(jìn)行詳細(xì)探查，一方面聘請(qǐng)地勘監(jiān)理單位嚴(yán)格監(jiān)督勘探過(guò)程，詳細(xì)審查勘探結(jié)果；一方面采用標(biāo)段互驗(yàn)和雙院審查的方式，多層把關(guān)，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。此外，省指揮部派駐技術(shù)人員與地勘人員同吃同住，對(duì)地質(zhì)勘探全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)督。尤其是對(duì)特殊路基地段和地質(zhì)不良地段，要求地勘單位做好更加詳細(xì)的調(diào)查。3.1.2明確規(guī)定路基填料質(zhì)量要求。要確保路基質(zhì)量，減少不均勻沉降，路基填料的選擇非常重要。因此，在設(shè)計(jì)階段，要求設(shè)計(jì)院對(duì)高速公路附近取土場(chǎng)進(jìn)行細(xì)致的調(diào)查，對(duì)土石進(jìn)行詳細(xì)的檢測(cè)，明確不同填高內(nèi)路基填料的CBR值及最大粒徑要求。3.1.3科學(xué)設(shè)計(jì)路基綜合排水和防護(hù)。由于該高速公路穿越地段的土質(zhì)多為砂性土，透水性大，保水性差，因此在初步設(shè)計(jì)階段就非常注意綜合排水和防護(hù)問(wèn)題。要求設(shè)計(jì)單位務(wù)必遵循“因地制宜，整體規(guī)劃，綜合考慮”的原則進(jìn)行路基排水設(shè)計(jì)，避免路基兩側(cè)長(zhǎng)時(shí)間積水而浸壞路基。高填方路段要設(shè)計(jì)集中排水措施，在主要變坡點(diǎn)設(shè)計(jì)永久泄水槽；在挖方路段，要求設(shè)計(jì)單位積極調(diào)查當(dāng)?shù)厮馁Y料，根據(jù)上邊坡的匯水量來(lái)設(shè)計(jì)截水溝，而不是盲目選擇截水形式，并結(jié)合邊坡土質(zhì)設(shè)計(jì)擋土墻來(lái)防止塌方。此外，由于該高速公路邊坡多為弱風(fēng)化巖，客土噴播較復(fù)雜，因此在綠化設(shè)計(jì)中，積極推行TBS防護(hù)形式等等。3.1.4必要的修正和變更設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)圖紙不可能與實(shí)際情況完全相符，因此在施工過(guò)程中必須不斷進(jìn)行設(shè)計(jì)修正和變更。一是要求設(shè)計(jì)單位派駐經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)代表，與指揮部技術(shù)人員保證足夠的工地巡視時(shí)間，確保施工現(xiàn)場(chǎng)信息及時(shí)反饋；二是受條件限制不能達(dá)到規(guī)范要求的，設(shè)計(jì)單位要及時(shí)出具解決方案。如：路基最小填筑高度必須避免地表水、毛細(xì)水及凍脹作用的影響而降低其穩(wěn)定性，如果路基填筑高度受地形限制達(dá)不到規(guī)定的，設(shè)計(jì)單位必須采取相應(yīng)措施，如換填、設(shè)盲溝等等。3.2施工階段的控制現(xiàn)以該高速公路一期土建工程第十二合同段為例，通過(guò)省指揮部對(duì)該標(biāo)段施工過(guò)程的路基填料控制、填筑工藝控制、路基壓實(shí)度控制等等，作一簡(jiǎn)要分析。3.2.1該標(biāo)段主要技術(shù)指標(biāo)。該標(biāo)段合同范圍為K116+570-K122+703，全長(zhǎng)6.133公里，設(shè)計(jì)土石方115萬(wàn)3，設(shè)計(jì)時(shí)速80KM/h，停車視距110M，最大縱坡5%，路基及橋涵寬度24.5M，橋涵設(shè)計(jì)荷載為公路—Ⅰ級(jí)，特大橋設(shè)計(jì)洪水頻率為1/300，路基、橋涵設(shè)計(jì)洪水頻率為1/100。3.2.2路基填筑材料情況。主要是砂性土，不同風(fēng)化程度的片麻巖，局部有淤泥、粘性土等等。如下圖：3.2.3路基施工過(guò)程控制。（1）做好雨季施工防護(hù)。本標(biāo)段地處大別山腹地，雨季長(zhǎng)，雨量大，自2006年10月9日開(kāi)工以后持續(xù)晴好的天氣不多，因此做好雨季防護(hù)措施非常重要。施工單位進(jìn)場(chǎng)前，要求施工單位決策層深入現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該工程路段進(jìn)行調(diào)查研究，制定雨季施工計(jì)劃；其次是要求施工單位在施工前提前做好臨時(shí)排水設(shè)施，確保下雨時(shí)土方路基能夠及時(shí)排水；再次是制定嚴(yán)格獎(jiǎng)懲措施，杜絕下雨搶進(jìn)度行為，一旦發(fā)現(xiàn)冒雨填筑就予以重處。雨后省指揮部加強(qiáng)巡視，要求施工單位必須在雨后路基表面無(wú)積水，表面土含水量符合要求的前提下才能進(jìn)行復(fù)壓，填料的含水量符合填筑要求才能進(jìn)行后一層路基施工。由于措施得當(dāng)，雖然雨季較長(zhǎng)，但該標(biāo)段的施工質(zhì)量和進(jìn)度均得以確保。（2）填筑材料試驗(yàn)。填筑材料試驗(yàn)是施工前不可缺少的環(huán)節(jié)，通過(guò)各類試驗(yàn)為指導(dǎo)施工提供準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)。因此在施工單位進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)收階段，省指揮部對(duì)施工單位試驗(yàn)室的驗(yàn)收就非常嚴(yán)格，對(duì)設(shè)備儀器的數(shù)量、精度等都有嚴(yán)格規(guī)定，確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。在具體施工前，施工單位必須做好各項(xiàng)填筑材料試驗(yàn)，并報(bào)高監(jiān)辦審批，非適用材料不得用于工程施工，沒(méi)有經(jīng)過(guò)審批的材料也不得用于工程施工。填筑材料必須滿足以下要求：路堤填料最小強(qiáng)度和最大粒徑要求項(xiàng)目分類填料最小強(qiáng)度（CBR）（%）填料最大粒徑（mm）路堤上路床（0-00.3m）8.0100下路床（0.33-0.8m）5.0100上路堤（0.88-1.5m）4.0150下路堤（>1..5m）3.0150零填及路塹路床床0-0.3m8.01000.3-0.88m5.0100（3）試驗(yàn)段施工。省指揮部在招標(biāo)文件中對(duì)試驗(yàn)段的規(guī)定非常詳細(xì)，要求設(shè)全長(zhǎng)不小于100米（全幅路基）的試驗(yàn)路段。試驗(yàn)段施工的目的是通過(guò)壓實(shí)工藝試驗(yàn)來(lái)確定不同壓實(shí)機(jī)械、不同填料含水量的控制、松鋪厚度和碾壓遍數(shù)、最佳機(jī)械配置等等指標(biāo)。以該合同段某試驗(yàn)段為例：表一：施工人員配備情況表人員分類檢測(cè)放線施工民工人數(shù)2228表二：施工機(jī)械配備情況表設(shè)備名稱數(shù)量型號(hào)挖掘機(jī)2XE150推土機(jī)1壓路機(jī)2徐工機(jī)械20TT羊足碾1自卸汽車830T東風(fēng)該試驗(yàn)段設(shè)計(jì)松鋪厚度30CM，試驗(yàn)路段設(shè)方格網(wǎng)，在固定點(diǎn)上測(cè)出填前標(biāo)高，然后布料，每碾壓一次都在固定點(diǎn)上測(cè)其標(biāo)高，同時(shí)檢測(cè)壓實(shí)度。通過(guò)本試驗(yàn)路段的數(shù)據(jù)，我們可以看出：壓路機(jī)靜壓1遍，振壓3遍后，路基壓實(shí)度可以達(dá)到92區(qū)，振壓6遍后，路基壓實(shí)度可以達(dá)到95區(qū)，振壓8遍以上，路基壓實(shí)度提高相當(dāng)慢，只能慢慢達(dá)到97區(qū)。根據(jù)一期土建工程招標(biāo)《技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，要求施工填筑材料最大干密度1.80g/cm3-1.85g/cm3只能用作下路堤以下施工；1.85g/cm3-1.90g/cm3只能用作下路堤以下施工；1.90g/cm3以上的可用于上路床以上施工。從試驗(yàn)段試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出，壓實(shí)機(jī)具功能及碾壓遍數(shù)對(duì)填方路基有非常密切的影響。如：增加壓實(shí)遍數(shù)，最佳含水量減少，最大干密度增加，含水量一定時(shí)，最大干密度隨壓實(shí)功能的增加而增加。因此，確保路基壓實(shí)度，減少工后沉降，必須根據(jù)不同的土質(zhì)選擇不同的壓實(shí)遍數(shù)和壓實(shí)機(jī)具。（4）控制好土的含水量。在路基施工中，土的含水量控制非常重要。含水量過(guò)大，容易引起彈簧、翻漿等；含水量過(guò)小，土方就松散，不易壓實(shí)，嚴(yán)重影響路基壓實(shí)度，造成后期沉降。該標(biāo)段的做法是：在清表完成后就要提前做好臨時(shí)排水；在路塹施工中要做好人工降水，可開(kāi)挖縱、橫滲水溝，含水區(qū)的路塹地段不用振動(dòng)壓路機(jī)；在路基上拌合晾曬過(guò)濕土方，可在短期內(nèi)顯著降低土方含水量；分段分層循環(huán)進(jìn)行壓實(shí)和填筑，穿插組合，以保證有足夠的時(shí)間調(diào)整土方含水量；必要時(shí)可通過(guò)灑水、用粘土∶粉砂土=1∶3—1∶5的比例摻拌填筑路基等方式，以控制土方最佳含水量。（5）松鋪厚度及填料粒徑控制。一要嚴(yán)格控制松鋪厚度。松鋪厚度與地質(zhì)條件、土質(zhì)、松鋪土的干密度有關(guān)，可通過(guò)試驗(yàn)段碾壓試驗(yàn)確定。二是對(duì)壓實(shí)設(shè)備無(wú)法壓碎的過(guò)硬材料，如花崗巖、弱風(fēng)化巖等，應(yīng)予以清除或打碎處理，破碎后的石方最大尺寸不得超過(guò)壓實(shí)層厚的2/3，并均勻分布。三是路基施工要采用分層鋪松土，分層碾壓的方式，每完成一層還要整平，避免凸凹不平路基表面影響上一層路基的壓實(shí)效果。四是嚴(yán)厲杜絕施工單位為控制成本搶進(jìn)度，超厚碾壓和填筑大粒徑材料等現(xiàn)象。省指揮部中心實(shí)驗(yàn)室有數(shù)據(jù)顯示，由于超厚填筑，通過(guò)灌砂法檢測(cè)的路基壓實(shí)度只能達(dá)到規(guī)范的84%。因此，松鋪厚度及填料粒徑控制的關(guān)鍵問(wèn)題是控制施工單位的施工行為，可以采取加大監(jiān)理控制力度，省指揮部技術(shù)人員加大巡查力度等方式，發(fā)現(xiàn)不合格施工的必須嚴(yán)厲處罰并一律返工處理。（6）其它注意事項(xiàng)。由于高速公路是狹長(zhǎng)的帶狀物，因此穿越的路段地形地貌復(fù)雜，地質(zhì)情況多變，各種復(fù)雜多變的實(shí)際情況對(duì)路基施工都有不同的要求。因此，減少路基沉降是一個(gè)系統(tǒng)的、復(fù)雜的、綜合的過(guò)程，無(wú)法一一羅列。結(jié)合本人多年來(lái)從事高速公路現(xiàn)場(chǎng)管理，總結(jié)出以下主要注意事項(xiàng)，供業(yè)內(nèi)人士參考。路基部位應(yīng)特別注意的事事項(xiàng)原始地表路基用地范圍內(nèi)內(nèi)的垃圾、有有機(jī)物殘?jiān)霸孛婷嬉韵轮辽偕?00mmm內(nèi)的草草皮、根系系和表土應(yīng)應(yīng)予以清除除。場(chǎng)地清清理完成后后，應(yīng)全面面進(jìn)行填前前碾壓零填挖路基零填挖路床壓實(shí)實(shí)度如不符符合要求，應(yīng)應(yīng)翻曬后再再壓實(shí)填土路基1、填土高度小于8800mmm，對(duì)于原原地表清理理與挖除之之后的土質(zhì)質(zhì)基底，應(yīng)應(yīng)超挖至路路床頂以下下800mmm處，分分層回填優(yōu)優(yōu)質(zhì)填料然然后整平壓壓實(shí)。2、填土高度大于8800mmm，應(yīng)將路路堤基底整整平處理并并在填筑前前進(jìn)行碾壓壓，其壓實(shí)實(shí)度不應(yīng)小小于90%。3、地面自然坡陡于于1:5時(shí)，應(yīng)將將原地面挖挖成臺(tái)階，臺(tái)臺(tái)階寬度應(yīng)應(yīng)滿足攤鋪鋪和壓實(shí)設(shè)設(shè)備操作的的需要，且且不得小于于2m。臺(tái)階階頂一般做做成2%-44%的內(nèi)傾斜斜坡。填石路基1、修筑填石路堤，應(yīng)應(yīng)將石塊逐逐層水平填填筑，分層層厚度不宜宜大于4000mm。石石料強(qiáng)度不不應(yīng)小于15MPPa，石塊最最大粒徑不不得大于2250mmm，摻20%的石屑填填縫。要特特別注意在在填石的空空隙中填滿滿石屑、石石渣、粗砂砂，并敲掉掉突出的石石料尖角，保保持頂面適適當(dāng)平整。2、填石路堤應(yīng)使用用滿足設(shè)計(jì)計(jì)及監(jiān)理工工程師要求求的重錘強(qiáng)強(qiáng)夯和32t以上重型型振動(dòng)壓路路機(jī)分層灑灑水壓實(shí)，壓壓實(shí)層厚度度為4000mm。3、填石路基邊坡坡坡面采用不不易風(fēng)化的的、最小邊邊長(zhǎng)不小于于300mmm外形尺尺寸規(guī)則的的石塊進(jìn)行行臺(tái)階式錯(cuò)錯(cuò)縫碼砌，并并用小石塊塊將空隙嵌嵌緊。4、地面橫坡陡于11:5時(shí)，基底底應(yīng)開(kāi)挖臺(tái)臺(tái)階，臺(tái)階階寬大于22m，設(shè)3%向內(nèi)傾斜斜的橫坡。高填方路堤高填路堤位于橫橫向陡坡地地段時(shí)，應(yīng)應(yīng)在高