浅析高填方路堤沉降变形模式及成因机制

李 骏 党安玉

高路堤的稳定直接表现为路基的沉降,国内外学者[1,2]对路基沉降问题的研究重点之一就是高填方路堤沉降计算和预估方法。首先必须对填土的工程性质有充分的认识,在此基础上,对高路堤稳定与变形性状进行系统深入地研究,才能建立不同形式高填方路堤沉降变形破坏机制及相应的计算与预测方法,本文对沉降变形模式及成因机制两方面作了系统的阐述。

1 高填方路堤沉降变形模式

1)填料压实度不足。路基施工时,天气太干燥,局部路基填料粉碎不足,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;有些超车道与行车道拼接段不同步施工,且拼接处理得不好;在路基施工中,当路基施工到一定高度以后,路基边缘土体往往存在压实度不足问题。这些情况都会导致路基发生不均匀沉降。由于压实度不足,往往导致填方路基的不均匀沉降变形(见图1),路基两侧出现纵向裂缝。

2)地基中存在软弱土层。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。

某高速公路A段和B段发生明显的不均匀沉降变形和破坏,其地基中存在软弱土层,其主要物理力学性能差,填筑土路堤之下具有天然含水率高(大于塑限,接近液限),天然孔隙比大(＞1.0),压缩系数高(＞0.5 MPa-1,属高压缩性土),抗剪强度低(快剪:C＜27 kPa,φ＜58),承载力低(标准值小于907 kPa)等特点。非填筑区的地基软土,其物理力学性能比填筑区的同类土更差,这可能与填筑区的地基土经历了高速公路建设和运营中在外部荷载(填筑体和车载)作用下的压缩固结过程,其性能有所改善有关。

一般来说,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。

该段地基土体中软土层还具有厚度、埋深、填筑土高度和宽度都大的特点。在高速公路中央分隔带上,除A段ZK10和B段ZK21,ZK22三个钻孔因位于原基岩裸露区未见软土层外,其余钻孔的软土层的顶板埋深6.90 m～12.80 m,底板埋深14.9 m～28.5 m,厚度为5.5 m～17.60 m(一般都在8 m以上)。软土层埋深较大,但经计算,均在压缩层深度范围以内(从填筑土层底部算起)。

比较这两段沉降量等值线图和淤泥质黏土等值线图,可见,淤泥质黏土厚度大的地方,沉降量一般都比较大。

进一步的调查发现,该两段路堤填筑区即是沟谷谷地所在区。这些部位在筑路前就是地势低洼、地面平坦、坡降较小、积水严重的地方,当地人在这些地方种植水稻时都需要扁担或谷草垫在其上才能载人,俗称”烂板田”。在路堤建设初期,多采用碎块石堆填、碾压、局部夯填进行处治。路堤建成后就开始出现沉降变形和路基土挤出等现象。筑路后地表水只能从断面很小的涵洞向谷地下游排泄,雨季必然排水更为不畅,地下水则更难以自然排泄。近期的勘探发现,路堤填土层之下的路基土层均位于地下水位之下,处于软塑、局部流塑状态,至今仍继续沉降变形。这说明,地表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(见图2)。

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所示。在昆明—瑞丽公路K2415+800 m段有一处属这种类型。

3)路基刚度差异显著。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《公路路基设计规范》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,在路面动载等作用下,也会引起明显的差异沉降,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。结构物刚度差异诱发的沉陷结构物的刚度不同是形成差异沉降的基本原因。桥台属刚性,沉降量极小,路基属柔性,沉降量大,刚柔之间必然存在沉降差。这是诱发桥头明显沉陷的客观原因。

2 高填方路堤失稳变形诱因

2.1 工程地质与地形

当路堤穿过沟谷时,沟谷中心往往填土高度最大,向两端逐渐降低,在路堤横断面上,往往迎水面填土高度小于背水面。这样也将由于填土高度不同而可能产生不均匀下沉,使路堤纵断面方向路面中间低,两头高,横断面方向的路肩一侧高一侧低。原地基承载力差、土质天然密实度低,加压时具有较大变形和可压缩性。一个平均高度为20.0 m的高路堤,填土密度为2.20 g/cm3,地表层单位应力为431 kPa。再加上车辆的换算荷载,地表层的平均应力还要大一些,这样就使原来那些认为是优良地基的部分也变为不良地基,造成路基沉降。

2.2 水文与气候

如降雨量过大、洪水猛烈、干旱、冰冻、积雪或温差过大等,都可能使路基填土(土石混合料、填石)中的细粒料流失,产生不均匀下沉。路基和路面的第一大损坏因素,是水的侵入和冲刷造成的损坏。我国大部分地区夏季、秋季暴雨集中、强度大,对高填方路堤施工非常不利。因此在冬、春季形成的高填方路堤,由于少雨、缺水难以保证最佳含水量,难以达到压实要求,土的孔隙大。等到路槽形成时,又多在夏季和秋季,必然要遭受强暴雨的冲刷损坏。即使是路面形成后,当路面排水不善时,雨水侵入路堤,造成土路基浸水和软化,局部下沉塌陷,导致路面早期损坏。

2.3 路基填料自身原因

对于采用土石混填路堤,因土石混合料中土石比的不同,其工程性质相差甚远,如果土石混合料中土石比例不合适,将导致其强度降低,压缩性增大,在路基施工和运营期间产生较大的沉降变形。若土石混合料中混入了种植土、腐殖土或泥沼土等劣质土,或土中含有未经打碎的大块土等,由于这类土中有机物含量多、抗水性差、强度低等特性的作用,路堤将出现塑性变形或沉陷破坏。生产土石混合料或填石的岩石性质不一、级配不匀或就地爆破堆积,造成填料空隙率增大。这样,在一定期限内(例如经过一个雨季)可能产生局部的明显下沉。

2.4 路基防护工程不同步和防护工程不完善

高填方路堤路槽形成的时候,也是其最脆弱、最容易受暴雨毁坏的时候。对于填高5 m以上的路基,施工期间一般至少要经过一次夏季暴雨冲刷过程,而现在的高填方路堤一般施工方法均是超宽填筑,再刷坡,然后再防护,加上填筑土质易被冲刷,由于防护和路基施工的不同步,造成土路堤暴露,被暴雨冲刷。

3 结语

高填方路堤失稳变形的主要表现形式为路基不均匀沉降变形和边坡失稳,其失稳变形特征可以归纳为以下几点:1)路基填土压实度不足,填土的先期固结压力小于自重应力,填土将在自重作用下,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,由于渗透固结和次固结需要一个较长时间,在公路通车后的一个较长时间内,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作用发生明显沉降。4)路基不均匀沉降的时空变化特征表明:一般沉降中心及附近处,不均匀沉降持续发展,沉降变形随时间的发展有三种类型,即渐趋稳定型、等速发展型和加速型。

[1] 栾茂田.关于岩土工程中若干基本力学问题的思考[J].大连理工大学学报,1999,39(2):309-317.

[2] 龚晓南.21世纪岩土工程发展展望[J].岩土工程学报,2000,22(2):238-242.

[3] 何益祥.路基沉降预测分析[J].山西建筑,2008,34(4):288- 289.