沿江高速公路路基稳定性分析

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摘 要：对于高速公路路基稳定性而言，要保证其竖向变形以及侧向变形都在合理的范围之内，可以通过沉降板对路基的竖向变形进行观测，路基沉降超过极限值可能会对公路的行车安全造成影响，甚至对道路的结构造成破坏。除了对路基沉降的观测，本文还介绍了一些关于路基侧线变形的防治措施，主要是通过边桩对公路侧向位移进行观测，为了防止由于侧向位移引起的竖向沉降，需要开展对高速公路路基稳定性的研究。

关键词：高速公路 路基 沉降 稳定性

中图分类号：U416 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）02（a）-0053-02

1 工程概况

在十一五规划期间，国家重点对安徽省的高速公路进行了进一步规划，确定了十一五期间安徽省公路发展纲要，安徽省的高速公路建设进入了一个快速发展的阶段，高速公路如雨后春笋般的大量涌现出来，为了进一步加强安徽省高速公路建设的步伐，根据安徽省高速公路规划的数据显示，到2020年时，安徽省高速公路建设的总里程将达到5500 km，形成四通八达的公路网建设。

安徽省沿江高速公路工程东起芜湖市南郊张韩村，终至安庆大渡口，全长166.7 km。该工程设计为全封闭、全立交、全部控制出入，路基宽26 m，双向四车道，沥青混凝土路面，行车速度为100 km/h。沿江高速公路为国家重点公路天津—— 汕尾、东营—— 香港（铜陵—— 九江支线）的重要组成部分。向东与南京相连，向西与武汉、九江相接，通过芜湖、铜陵、安庆长江大桥与已建成通车的国道主干线合宁高速公路、合安高速公路、合芜高速公路共同构筑两条快速通道，它的建设，对沿江经济发展具有重要的战略意义和现实作用。

沿江高速公路工程建设所在地处于长江中下游地区，按照水域划分属于长江流域，公路两侧地表较为平坦，但地势较高，由于公路沿线需要跨越多条公路来了路线，所以有高填方路堤出现，公路两侧地下水位较浅，经过改造，公路两侧已经种植水稻等农作物。公路沿线的不良地质主要表现为软土、液化土等等。

2 问题提出及解决方案

在沿江高速公路的快速建设过程中，路基的稳定性问题比较突出，而造成高速公路路基边坡失稳的重要原因之一就是“粉土”的工程性质较差。下面结合两个地基软化较严重典型标段的数据（表1）对标段的稳定性进行研究。

2.1 沉降观测方案

由于公路路基处于多水地段，路段周围土体含水量较高，土体结构在受到外力作用时容易发生破坏，在交通荷载以及土体自重的的作用下，路基容易发生沉陷，在高速公路建设前，应该先对公路路基采取堆载预压或者固结沉降等措施减小路基沉降，但是公路在长期使用过程中仍然会产生沉降变形。

本路段工程因其特有的施工特点造成了湿软地基处治方案的特殊性，具体方法是在高速公路沿线进行长期的路基沉降观测以及路基侧向观测。沉降板的布设是两侧据中桩14 m处安置1块沉降板。从埋板开始每3天观测一次。通过与永久水平坐标点的对比，若沉降量达到1.5 cm/d，则停止加载。

2.2 侧向位移观测方案

通常使用边桩对路基的侧向位移进行观测，本文的试验方法是采用边桩对试验路段的断面进行观测。为了便于对路基的侧向位移进行观测，采用边桩设置于路堤两侧的坡脚。

在路基稳定检测过程中，路基侧向变形是一个比较敏感的指标，可以通过提高路基侧向变形的监测精度来提高对软土地基稳定监控的水平。目前采用的路基沉降预测方法，通常是在曲线数字拟合的基础上进行的，但是这种方法忽略了侧向变形的影响，沉降结果也实际结果的差异较大。

侧向位移点布设在路堤两侧的坡脚处，离坡脚20 m处，标段内每100 m设置一次。每3天观测一次，侧移量达到5 mm/d时，标志着不稳定出现，停止加载。

3 路基沉降分析

当前对沉降规律的研究大都是基于经典理论的分析。其实，沉降的组成部分包含由侧向位移产生部分附加沉降量，以及其他因素（如冲击压实）产生的沉降。

3.1 沉降的机理

土是由三相体系组成的非饱和体，三相体系的构成为固体土颗粒、液态水和气体组成的多孔介质，在土体自重和外部荷载的作用下，土体中空隙中的空气被压缩，气体和液体被排除三相体系，土的应力变化与变形是与时间相关的函数。

根据土体变形的发展过程，沉降主要有以下几个阶段。

3.1.1 塑-弹性变形

在对土体进行扰动填筑的过程中，路基土经过摊铺、洒水、分层碾压等施工工艺被强制压缩，由于填土厚度的累加，填土的重量不断增加，下层土受到的压力越来越大，土体开始发生弹性形变。在土体沉降的这一阶段中，填土高度与沉降量成正比。

3.1.2 不均匀变形阶段

在土体的变形过程中，由于材料不均匀及其不受侧向约束的影响，土体的应力分布不同于自重应力对其的影响，在路堤内应力集中的部分，土体内部容易产生剪切变形，从而造成横线不均匀沉降，这种变形引起的沉降在工程初期影响不明显，但是日后会逐渐表现出来。

3.1.3 蠕变阶段

应变随着时间的增长而增长就是蠕变现象。由于土体载荷和路面荷载是在施工完成之后很长时间内逐步形成的，所以蠕变不是在公路竣工之后才产生的。在填方路堤采用水平分布层填筑法分层填筑的过程中，可能在各层填筑的时间上产生时间差，蠕变沉降就是在时间间隙中产生。由于产生的时间存在间隔，所以这种蠕变沉降是一种不连续沉降。

高速公路路基沉降计算主要包括两个方面的内容：一是路基沉降量计算；二是路基沉降时间统计。在处理应力-应变的关系时，通常采用胡克定律进行处理。

在公路路基的施工过程中，普遍采用以下几种方法对路基沉降量进行计算。

（1）分层总和法。

假定地基土为直线变形体，在有限厚度的范围内逐层求出其沉降量，然后进行累加，其累加值即为累计沉降量。计算公式如（1）。

（2）考虑前期固结压力沉降的计算方法。

路基土的最终沉降主要由三部分组成：瞬时沉降、主固结沉降以及次固结沉降。三种沉降并不独立发生，而是相互影响，所以在计算时要考虑相互作用的因素。

4 考虑侧向位移的路堤沉降分析

4.1 侧向位移引起的沉降量计算

关于侧向位移引起的地基沉降量计算，本文主要采用公式推导的计算方式进行计算，沉降构成分解见图1。计算假设如下。

（1）路堤在侧向变形前后，其横截面均按照矩形进行处理。

（2）土体体积在压缩式保持不变。

（3）填筑的路堤仅在横向上有变形，在其他方向上没有变形。

以上数据显示，地基处治对于控制地基沉降的效果明显，由此推出，侧向位移占总位移量的21%左右。

4.2 侧向位移引起的沉降量分析

通过对路基沉降的分析，我们可以深入了解沉降的构成，瞬时沉降主要包括弹性变形和侧向位移。

5 边坡稳定性研究

在高速公路建设过程中，由于地形地貌的限制，导致高填深挖作业，从而产生大量的高路堤、深路堑。对这些路段的边坡稳定性在施工前要进行计算，根据计算结果采取适当措施防止事故的发生。

5.1 稳定性评价方法

边坡稳定性的分析方法一般可以分为定性分析法以及定量分析法，随着一些更深的理论的产生，逐渐一批新的评价方法如工程地质法、边坡可靠性分析法等开始得到应用。

通过对高速公路沿线的工程地质进行调查来获取边坡稳定性数据并进行归纳总结影响边坡稳定性的方法统称为定性分析法。采用这种方法可以对边坡失稳的原因进行分析，并从分析结果中得到边坡失稳力学机制以及边坡土体结构破坏机理。采用这种方法可以快速地对边坡稳定现状等级作出评定。

通过考虑高速公路上荷载类型等因素对边坡土体进行稳定性分析的方法通常称为定量分析法，其特点是可以选择适当的参数对路基边坡的稳定系数进行验算。

5.2 多因素敏感性分析

选取粘聚力、内摩擦角、中度、坡高、坡比，这5个因素进行正交表安排实验，计算个参数的范围及水平，并做出评价。（表4）

从本文涉及的沿江公路的工程实际来看，路基边坡的高度是影响路基稳定性的最主要因素，在其他因素都相近的情况下，可以采取提高边坡抗剪强度的方法提高路基边坡稳定性。

6 结论及建议

（1）路基的填筑材料多为粉土，粉土颗粒细，水的稳定性差，路基的失稳大多是由于水的侵蚀所引起的。

（2）高速公路路堑边坡的稳定性是一个复杂的工程问题。路堑边坡是人工开挖边坡，不良的排水措施和人为的开挖是边坡失稳的重要诱发因素，边坡稳定性是一个综合的系统问题，其稳定性评价并不是单一的力学理论能代替的，要把定性分析和定量计算相结合。

（3）高速公路路堑边坡是一种永久边坡，稳定性评价的一次结论，无法代表边坡永久的稳定性状况，必须结合定期调查与监测分析。

（4）为了避免滑动破坏，高速公路素土的抗剪强度应不低于59kPa。

（5）实验结果表明，对边坡稳定性敏感度大小的因素依次是（从大到小）坡高>内摩擦角>坡比>凝聚力>重度，可以采用提高边坡抗剪强度的方法提高边坡稳定性指标。

参考文献

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