陳雪朋

（中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司，北京 101300）

1 引言

隨著我國(guó)公路網(wǎng)的逐漸完善，高速公路的建設(shè)逐漸向山區(qū)及丘陵地帶轉(zhuǎn)移[1]，因地形條件限制，需要采用不同的路基組合方式，如高填路基、半填半挖路基和深挖路基等[2]。其中，半填半挖路基涉及土方的回填和開挖，路基結(jié)構(gòu)的整體性較差，容易發(fā)生路基的縱向滑移，難以保證施工安全和工程質(zhì)量，甚至影響公路正常運(yùn)營(yíng)和行車安全[3]。因此，解決半填半挖路基填挖段的不均勻性沉降是當(dāng)前施工過程中的重點(diǎn)。

路基半填半挖路基的沉降問題主要發(fā)生在新填路基和填挖方段交界面。解決填方路基不均勻沉降常用的方法是臺(tái)階法加鋪土工材料[5]。這種處理方法的優(yōu)勢(shì)在于可以提高填挖方段的接觸面積，降低交界面不均勻沉降產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)[6]。同時(shí)，填方段采用分層填筑法加鋪土工格柵可以有效增加填料的密實(shí)度及承載力，降低填方路基在外界荷載作用下發(fā)生整體沉降，影響施工質(zhì)量[7]。此外，填挖方段交界面的強(qiáng)度和穩(wěn)定性不足也會(huì)導(dǎo)致路基沉降的發(fā)生[8]，故在工程實(shí)際中首先會(huì)對(duì)交界面的腐質(zhì)覆蓋層和軟化層進(jìn)行清除，若交界面較陡時(shí)，可利用土工材料加強(qiáng)交界面[9]。

雖然臺(tái)階法加鋪土工材料可以很好地處理界面處的不均勻沉降，但是由于路基所處的工程地質(zhì)環(huán)境不同，故半填半挖路基施工沒有形成一個(gè)統(tǒng)一的施工技術(shù)。為探究公路建設(shè)中半填半挖路基的沉降變化規(guī)律并找出相應(yīng)的沉降控制方法，本文從項(xiàng)目實(shí)際情況出發(fā)，詳細(xì)介紹了本項(xiàng)目半填半挖路基的施工準(zhǔn)備工作和施工方法，結(jié)合沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)探究了路基沉降機(jī)理，為今后類似環(huán)境中半填半挖路基的施工提供參考。

2 工程概況

本文依托某高速公路展開研究，該路基段施工情況如圖1所示。此路基的橫向部分有10處交接點(diǎn)需要作特別處理，路基縱向斷面有12處需要作回填處理，土方開挖量達(dá)到了7560m3。因此，為避免半填半挖路基在實(shí)際施工過程中填挖交界處發(fā)生不均勻沉降，影響施工安全和工程質(zhì)量，需在開挖與回填的交接部分結(jié)合沉降量合理的鋪設(shè)土工格柵。

圖1 填挖交界處施工示意圖（mm）

3 施工準(zhǔn)備

在正式進(jìn)行施工前，為了清除不適合道路填方用的雜物和耕植土，需要對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行清表處理。同時(shí)，路基土回填前應(yīng)該對(duì)原地基進(jìn)行碾壓夯實(shí)，要求路基壓實(shí)度不得低于90%。

3.1 測(cè)量放樣

為控制路基的尺寸，保證施工精度，在路基施工前需對(duì)路基進(jìn)行放線處理，通過全站儀對(duì)路塹開挖斷面和路堤部分的坡腳進(jìn)行放線，指明路基的開挖、回填范圍。

3.2 路基處理

填方路堤土質(zhì)屬于濕陷性黃土且區(qū)域內(nèi)存在地表水，在制定施工方案的過程中，結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙及現(xiàn)場(chǎng)的施工條件，決定對(duì)軟基部分進(jìn)行5%灰土換填，換填厚度控制在2.5m，在橫縱方向均設(shè)置盲溝。具體施工內(nèi)容如下：

①檢測(cè)軟土地帶的地基承載力，對(duì)于承載力低于150kPa的部分應(yīng)該進(jìn)行高速液壓夯實(shí)。

②對(duì)軟土部分加固處理完成后，使用5%灰土進(jìn)行回填，實(shí)際回填需嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行分層回填。每層的回填厚度控制在25cm 以內(nèi)，壓實(shí)度控制在95%以上，使用壓路機(jī)與人工配合的方式進(jìn)行找平碾壓處理，然后開始回填下一層5%灰土，直至土基回填厚度達(dá)到2.5m。

③換填施工完成后，為了將路基下滲水流排出路基范圍以外，減小路基的水損害，加強(qiáng)路基的穩(wěn)定性，在路基主體上進(jìn)行盲溝布設(shè)，并完成其他排水設(shè)施的施工。

3.3 填挖交接處理

原地面的坡面陡且有植被覆蓋，若對(duì)地表處理不當(dāng)，容易出現(xiàn)路基塌陷或是開裂等現(xiàn)象。因此，先將坡面植被、松土清理干凈，然后嚴(yán)格從坡面縱向開挖，開挖應(yīng)該形成臺(tái)階狀，臺(tái)階的寬度應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況設(shè)定。挖方路基部分在路槽下路床超挖150cm 結(jié)合槽后回填，橫向填挖交界路段超挖長(zhǎng)度為橫向挖方長(zhǎng)度，縱向填挖交界超挖長(zhǎng)度為10m。填方路基部分，當(dāng)?shù)孛嫫露榷赣?：5時(shí)，地表開挖反向臺(tái)階，內(nèi)傾4%，臺(tái)階寬度2m。

4 施工方法

4.1 基底處理

在坡面清表完成以后，對(duì)基底進(jìn)行處理時(shí)，應(yīng)該在橫縱向的開挖交接處設(shè)置傾斜臺(tái)階，臺(tái)階寬度應(yīng)該控制在2m 左右，臺(tái)階高度控制在1m 以內(nèi)。若地基存在地下水或是地面水時(shí)，應(yīng)該開挖排水溝疏散積水。具體如圖2所示。

圖2 路基施工示意圖（mm）

4.2 橫向半填半挖

橫向半填半挖路基區(qū)域土質(zhì)屬于濕陷性黃土，施工方法為開挖至地下150cm 以下，采用5%灰土進(jìn)行回填，待填方區(qū)填至結(jié)合槽底部標(biāo)高后，與挖方路堤同步填筑上路堤，待填筑路床底面時(shí)鋪設(shè)第一層土工格柵，再分層填筑下路床，在下路床頂面鋪設(shè)第二層土工格柵，最后鋪筑上路床。

4.3 縱向半填半挖

縱向填挖交界處的路基，應(yīng)該在挖方路面底部進(jìn)行超挖作業(yè)，超挖的長(zhǎng)度不得低于10m，超挖的厚度為1.5m，回填料采用5%灰土。待填方區(qū)填至結(jié)合槽底部標(biāo)高后，與挖方路堤同步填筑上路堤，待填筑路床底面時(shí)鋪設(shè)第一層土工格柵，再分層填筑下路床，在下路床頂面鋪設(shè)第二層土工格柵，最后鋪筑上路床。

半填半挖路基施工過程中易出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象，因此鋪設(shè)土工格柵可以有效避免路基出現(xiàn)沉降。借助土工格柵對(duì)回填料所產(chǎn)生的側(cè)向約束力，從而對(duì)路基頂面形成上部支撐力，形成一個(gè)復(fù)合體，可以有效避免路基頂部出現(xiàn)沉降。雖然土壤會(huì)產(chǎn)生豎向剪力，但是土工格柵的加筋作用會(huì)使豎向剪力降低，不但會(huì)降低路基不均勻沉降出現(xiàn)的可能性，同時(shí)還可以加強(qiáng)路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

在實(shí)際施工過程中，土工格柵的施工質(zhì)量會(huì)在很大程度上影響到路基的整體質(zhì)量，所以在實(shí)際施工過程中必須要嚴(yán)格按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，詳細(xì)如下：

①坡面整平：土工格柵施工之前，應(yīng)該先對(duì)施工場(chǎng)地進(jìn)行平整，將凹凸不平處進(jìn)行填補(bǔ)，坡面局部的平整度差異不得超過10cm。

②鋪土工格網(wǎng)：土工格柵應(yīng)該沿著超挖面進(jìn)行鋪設(shè)；參照設(shè)計(jì)要求對(duì)格柵的長(zhǎng)度進(jìn)行截取，將格柵深入至臺(tái)階2m 以內(nèi)；格柵的縱向作用力應(yīng)該與受力方向保持一致；土工格柵的縱向不得設(shè)置接頭縫，假若無(wú)法避開，則搭接的長(zhǎng)度不應(yīng)超過30cm，再使用鐵絲進(jìn)行加固處理；土工格網(wǎng)的鋪設(shè)必須平整，不得出現(xiàn)扭曲。

③連接、固定格柵：格柵的尾部應(yīng)該先進(jìn)行加固，然后將格柵鋪設(shè)至填方路段，將土工格柵拉直，格柵的伸長(zhǎng)率應(yīng)該控制在2%～4%之間；格柵橫向接縫應(yīng)該使用塑料帶進(jìn)行綁扎，綁扎的間距應(yīng)該控制在1m左右；已完成鋪設(shè)的土工格柵應(yīng)該使用鉚釘進(jìn)行加固，鉚釘加固的間距控制在1.5m～2.0m，保證格柵與地面緊密連接。

④回填土料：當(dāng)土工格柵鋪設(shè)完成以后，應(yīng)該及時(shí)回填土方予以覆蓋，避免土工格柵出現(xiàn)老化，且應(yīng)該合理選擇回填土的粒徑，土方回填應(yīng)該從土工格柵的兩側(cè)進(jìn)行，未回填土方的區(qū)域嚴(yán)禁車輛形駛，避免碾壓土工格柵，造成格柵損壞。

⑤回填料找平：回填料可以借助壓路機(jī)進(jìn)行找平，局部機(jī)械設(shè)備無(wú)法作業(yè)的區(qū)域可以借助人工進(jìn)行找平，找平的平整度高差不得超過5cm。

⑥回填料碾壓：回填料應(yīng)該采用分層碾壓，碾壓過程從兩側(cè)開始進(jìn)行作業(yè)，不得出現(xiàn)反向碾壓或是橫向碾壓，碾壓完成后立即進(jìn)行壓實(shí)度檢驗(yàn)，確保壓實(shí)度符合設(shè)計(jì)要求。

4.4 沉降及位移觀測(cè)

在路基表面清理完成且碾壓作業(yè)完成以后，應(yīng)該嚴(yán)格設(shè)置路基的橫斷面沉降觀測(cè)樁與位移觀測(cè)樁。在土方回填之前，應(yīng)該測(cè)量并記錄樁位的原始數(shù)據(jù)。回填過程中應(yīng)該對(duì)觀測(cè)樁進(jìn)行加固保護(hù)，每層回填完成以后記錄沉降、位移的變化，將之與原始數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，分析導(dǎo)致差異出現(xiàn)的原因。

4.4.1 沉降機(jī)理分析

半填半挖式路堤出現(xiàn)沉降的位置往往發(fā)生在填方路段，而挖方路段基本上不會(huì)出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，所以本文主要是對(duì)填方路段的沉降規(guī)律進(jìn)行研究分析。結(jié)合工程實(shí)際情況，土體在受到外部作用力后會(huì)發(fā)生變形，土體顆粒會(huì)向穩(wěn)定區(qū)域移動(dòng)。而非飽和土的三相組成主要是由液態(tài)水、固體顆粒、氣體共同組成[10]，非飽和土在受到外部作用力后，土體內(nèi)的空氣首先被壓縮排出，之后是液態(tài)水被擠壓出土層，在這種情況下，土體發(fā)生變形的速度非?？臁ｋS著土體內(nèi)的水被逐漸排出，固體骨架與水體之間產(chǎn)生的摩擦力會(huì)不斷增大，促使土體縫隙內(nèi)的水體與氣體受到外部作用力而無(wú)法順利排除。所以，土體的應(yīng)力波動(dòng)與變形狀況應(yīng)該是時(shí)間函數(shù)，土體展現(xiàn)出來(lái)的特征應(yīng)該是具備彈性、粘性的塑體[11]。根據(jù)土體形變的具體過程，本文將其波動(dòng)階段大致細(xì)分為以下幾個(gè)階段：

①?gòu)椥宰冃坞A段。回填土回填過程中，需要進(jìn)行攤鋪、灑水、碾壓，在這個(gè)過程中土體會(huì)不斷被壓縮。當(dāng)回填土的厚度不斷增加時(shí)，下層土?xí)蛏蠈油帘粔嚎s而受到荷載，開始出現(xiàn)彈性壓縮形變現(xiàn)象，在這種情況下，固體骨架與水體之間產(chǎn)生的摩擦力會(huì)不斷增大，該階段內(nèi)的土層變形主要與回填土的厚度、壓縮程度存在關(guān)聯(lián)性。

②不均勻變形階段。土體在發(fā)生變形的過程中，從土體的橫剖面中可以看出，因回填材料的均勻性程度不高，且側(cè)向不存在約束力，土層受到的應(yīng)力主要是自身的自重作用力，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡部位的應(yīng)力降低。由于堤內(nèi)應(yīng)力處于集中狀態(tài)，出現(xiàn)剪切變形的可能性增大，最終形成不均勻變形。此類現(xiàn)象往往出現(xiàn)在施工后期階段。

③蠕變階段。假若土層的外界應(yīng)力穩(wěn)定，土層應(yīng)變隨加載時(shí)間的增加持續(xù)增長(zhǎng)的現(xiàn)象屬于蠕變現(xiàn)象。蠕變過程中土層會(huì)出現(xiàn)彈性形變或是塑性形變，在這種情況下，土體蠕變的情況則會(huì)傾向于復(fù)雜化，各層回填土在施加荷載以后，出現(xiàn)的綜合沉降量就是施工階段的沉降量，該部分沉降應(yīng)該在施工過程中完成。假若施工已經(jīng)完成，回填土的荷載及路面荷載造成的蠕變現(xiàn)象產(chǎn)生的沉降量則應(yīng)為施工后期的沉降量。該部分沉降量應(yīng)該是在施加荷載以后完成的，因此蠕變現(xiàn)象并非一定是在項(xiàng)目竣工后出現(xiàn)?；靥盥返滩捎梅謱犹钪ㄟM(jìn)行施工，單層施工的時(shí)間存在一定的差異性，故在每層施工的間隙時(shí)間內(nèi)也會(huì)出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。該時(shí)間段內(nèi)的蠕變主要是由土體顆粒的自重應(yīng)力分散造成的，因此，在分層回填的過程中，施工間隙時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)被分布至下一個(gè)施工工序中，同時(shí)蠕變也會(huì)重新進(jìn)行分配。結(jié)合實(shí)際施工情況，回填的時(shí)間間隙較短，大部分的路堤基本上都在短期內(nèi)完成沉降，所以在對(duì)施工過程中的沉降進(jìn)行計(jì)算時(shí)，往往不需要考慮蠕變影響，只需要分析瞬時(shí)沉降造成的影響?；靥盥返痰耐诜铰范我蛏襟w承受的荷載減小，在挖方路段必然會(huì)出現(xiàn)土體體積膨脹，進(jìn)而導(dǎo)致路基出現(xiàn)壓縮變形現(xiàn)象。

4.4.2 觀測(cè)方法及數(shù)據(jù)分析

結(jié)合實(shí)際施工情況，采用沉降觀測(cè)的方式對(duì)半填半挖路段的沉降過程進(jìn)行持續(xù)跟蹤，妥善處理沉降差異問題。土方開挖、回填交界段出現(xiàn)裂縫的原因主要是由路面產(chǎn)生的沉降差異導(dǎo)致的，加大對(duì)土方開挖、回填交界部位產(chǎn)生的沉降差異檢測(cè)力度，分析沉降差異過大的主要原因，結(jié)合實(shí)際提出科學(xué)合理的優(yōu)化措施。同時(shí)，通過觀測(cè)沉降差異可以在第一時(shí)間內(nèi)獲得路基施工階段的沉降波動(dòng)規(guī)律，總結(jié)出施工工藝、回填土種類對(duì)路基沉降造成的影響，便于施工人員及時(shí)調(diào)整施工工藝，為后續(xù)類似工程項(xiàng)目提供一定的參考。

路基沉降觀測(cè)常用的設(shè)備主要包括沉降板、沉降管和其他專業(yè)觀測(cè)設(shè)備。沉降板使用鋼板加工制作而成，其設(shè)計(jì)尺寸為：500mm×500mm×10mm，沉降管的規(guī)格為φ20鍍鋅鋼管，沉降板外觀如圖3所示。

圖3 沉降板示意圖

施工人員在實(shí)際觀測(cè)的過程中，沉降管的外側(cè)需要加裝PVC管，管頂部位使用鋼板作覆蓋處理，確保沉降管不會(huì)受到損壞。在觀察期間，將沉降管加固在管頂，以保證持續(xù)觀測(cè)。專業(yè)觀測(cè)設(shè)備應(yīng)該具備測(cè)微設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)二等水準(zhǔn)測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)。沉降板應(yīng)該放置在相同的斷面中，兩根沉降管的差異應(yīng)該與路堤實(shí)際沉降差異保持一致，具體情況可以參照?qǐng)D4。

圖4 非均勻沉降觀測(cè)示意圖

分別在距半填半挖界面處2/5、3/5 和4/5 處利用沉降板進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果如圖5所示?；靥罘降母叨却嬖谝欢ǖ牟町悾瑢?dǎo)致路堤的沉降量也略有不同。當(dāng)回填土方的填土厚度增加時(shí)，其所對(duì)應(yīng)的沉降量也會(huì)隨之增大。結(jié)合回填土的高度曲線可以了解到，回填土的左幅高度為9m、13m部位的回填高度是保持一致的，但是沉降板下部的回填土高度存在較大的差異，原因是回填土左幅13m部位的沉降板下側(cè)回填厚度比較大，這一點(diǎn)可以通過沉降曲線得出。由此可以發(fā)現(xiàn)，在相同部位，沉降量與下側(cè)的回填土厚度存在緊密的關(guān)聯(lián)性；左幅17m 部位的沉降板上側(cè)回填土的厚度大概為8.5m，這是導(dǎo)致其沉降量差異過大的主要原因。

圖5 沉降/填土高度隨時(shí)間變化圖

路基沉降差異會(huì)受到回填土厚度的影響，此外，還會(huì)受到路堤邊坡變形的影響，假若邊坡側(cè)向變形比較嚴(yán)重，這也會(huì)導(dǎo)致路基附加沉降量過大。路基左幅17m部位與路基邊緣距離較近，所對(duì)應(yīng)的側(cè)限力較小，參照土力學(xué)的基本原理可以發(fā)現(xiàn)，若豎向應(yīng)力相同的情況下，側(cè)限應(yīng)力變小，剪切力則會(huì)變大，所以會(huì)導(dǎo)致豎向變形出現(xiàn)；反之，當(dāng)路堤沿線的水平應(yīng)力變小以后，其所對(duì)應(yīng)的剪切變形也會(huì)隨之變小，從而水平變形引發(fā)的沉降量也不會(huì)太大。

4.5 交接面的清理與壓實(shí)

假若交接部位比較陡時(shí)，應(yīng)該使用土工材料來(lái)提升交界面的強(qiáng)度與穩(wěn)定性，確保不會(huì)出現(xiàn)沉降現(xiàn)象。土工材料的鋪設(shè)材料選擇性比較多，但是下方的回填料應(yīng)該優(yōu)先選擇透水性比較強(qiáng)的石料，這樣可以有效地降低雨水對(duì)于回填料的影響，同時(shí)還可以降低路堤的自重，保證路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

4.6 修坡與防護(hù)

當(dāng)路堤回填至設(shè)計(jì)標(biāo)高以后，應(yīng)該對(duì)路基表面進(jìn)行平整和修邊處理，結(jié)合實(shí)際情況設(shè)置排水溝、截水溝等排水設(shè)施，避免雨水沖刷路基，降低路基的穩(wěn)定性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文依托某高速公路建設(shè)工程，針對(duì)半填半挖路基沉降差異性開展研究，從路基處理、填挖交界處處理以及沉降觀測(cè)三個(gè)方面進(jìn)行論述，分析產(chǎn)生沉降差異性的原因并探索其沉降機(jī)理，得出以下主要結(jié)論：

①本工程填方路堤土質(zhì)為濕陷性黃土，需對(duì)軟土地帶承載力低于150kPa 的部分進(jìn)行高速液壓夯實(shí)，軟基部分進(jìn)行5%灰土換填，換填厚度控制在2.5m，橫縱方向均設(shè)置盲溝；待填筑路床底面時(shí)鋪設(shè)第一層土工格柵，再分層填筑下路床，在下路床頂面鋪設(shè)第二層土工格柵，最后鋪筑上路床。

②挖方路基部分在路槽下路床超挖150cm結(jié)合槽后回填，橫向填挖交界路段超挖長(zhǎng)度為橫向挖方長(zhǎng)度，縱向填挖交界超挖長(zhǎng)度為10m。填方路基部分，當(dāng)?shù)孛嫫露榷赣?：5時(shí)，地表開挖反向臺(tái)階，內(nèi)傾4%，臺(tái)階寬度2m。

③路基不均勻沉降現(xiàn)象與回填土厚度和路堤邊坡變形的關(guān)聯(lián)性較大，回填土高度越高，距離路基邊坡越近，路基的不均勻沉降越大。