高速公路路基施工设计及沉降计算探讨
[摘要]本文结合工作实践，主要从设计、施工及管理等方面来探讨路基施工技术。
[关键词]高速公路，路基，沉降计算，技术措施
近年来，随着我国公路建设的快速发展，贵州省高等级公路的建设，在设计与施工方面也取得了很大的进步；但在高速公路软土地基路段的建设过程中，考虑到软土地基的复杂性，为了控制施工进度，指导后期的施工组织与安排，如何正确计算路基的工后沉降是一个重要问题。现就公路工程设计关于沉降计算及路面控制进行探讨。
1公路路基施工设计
1.1路基用土及填料
高液限粘土及含有机质细粒土．不能用做高速公路和一级公路的路床填料或二级和二级以下公路的上路床填料；高液限粉土及塑性指数大于16或膨胀率大于3％的低液限粘土，不能用做高速公路和一级公路的上路床填料。因条件限制而必须采用上述土做填料时，应掺加石灰或水泥等结合料进行改善。对于基层材料选择时。特重交通适宜贫混凝土、碾压混凝土或沥青混凝土时，设计计算应按复合式路面分析。且强度以试验为准对水泥混凝土面层下基层的首要要求是抗冲刷能力不耐冲刷的基层表面。在渗入水和荷载的共同作用下会产生淤泥、板底脱空和错台等病害，导致行车的不舒适，并加速和加剧板的破裂。混凝土面层下采用贫混凝土基层，主要是为了增加基层的抗冲刷能力，并不要求它有很高的强度。高强度的贫混凝土并不能使面层厚度降低很多，反而会增加混凝土面层的温度翘曲应力，并产生会影响到面层的收缩裂缝。
因此，对路基填料应有条件的选用。对路基填料的最小强度和最大粒径给了量化的标准，采用CBR值表征路基土的强度，引入了路床的概念。对上路床的的填料提出了限制的条件，高速公路和一级公路路面底以下0~30cm的路床填料CBR值应大于8，下路床及其下面的填土，也都给出相应的规定值。
当路基填料达不到规定的最小强度时，应采取掺合粗粒料、或换填、或用石灰等稳定材料处理，并不规定对其它等级公路铺筑高级路面时，也要采用高速公路和一级公路的规定值。
1.2路面接缝处理的设计
水泥混凝土路面接缝多，易于损坏，尤其是胀缝位置面板破损较为普遍和严重。有的道路在通车l～3年后逐步破碎损坏。破损率高达50％～90％以上。究其原因是多方面，影响因素也复杂，但笔者认为主要是胀缝的构造问题、施工工艺及管理问题。从胀缝设计构造的角度主要解决位置设置、构造型式、传力杆设置和面板局部加强。胀缝设置应遵循新颁水泥混凝土路面设计规范第4．2．5条规定外，要尽可能少设或不设胀缝，特别是平纵线形标准较高的平原微丘地形设置长间距胀缝，或只在结构物衔接处。这一点已经在国外工程中得到证实。其次一般常用的胀缝型式为设传力杆和不设传力杆两大类，不设传力杆的胀缝其传荷能力较差，在重车反复作用下，胀缝的两侧容易发生错台。而设传力杆的胀缝，其传荷性能较好，从实际的应用效果来看，设传力杆的胀缝能较好的抑制胀缝病害，因此建议对于交通量大、重载车多的公路和城市道路采用传力杆的胀缝为最佳；反之可采用不设传力杆的枕梁式胀缝。但为了减少车辆反复冲击作用．枕梁上最好设置一层缓冲橡胶垫。根据传荷受力的需要设置传力杆。传力杆宜用直径为32～35较粗的光园钢筋，同时胀缝两侧30～40mm面板范围内因传力杆存在而受力复杂，应在胀缝两侧30～40cm水泥混凝土板内布置加强钢筋。
1.3路基压实控制
当前路基施工，普遍采用了大吨位的压路机，碾压效果有了明显的改善。对于提高路基土的压实度起了很好的作用。规范规定高速公路和一级公路路面底面以下80~150cm部分的上路堤其压实度必须≥95％，对其它等级公路当铺筑高级路面时，其压实度亦应按高速公路和一级公路的标准采用。此外，还增加了对路堤基底的压实度不宜小于93％的规定。
在特殊潮湿地区，路基上的压实是相当困难的，规范对此作出了若干调整：一是压实度标准可根据试验资料确定或较表列数值降低2~3个百分点；二是对于天然稠度小于1．1，液限大于40，塑性指数大于18的粘质土，当用于下路床及其下的路堤填料时，可采用规定的轻型压实标准；三是改善填料的性质，在土中掺加生石灰，通常可以获得预期的效果，也可采用新型吸水材料加固。同样，在某国道主干线二级专用公路途经渭河沿岸，部分路段属潮湿地区，采用第三种办法，取得了预期的效果。
对黄土路堤施工时，应做好填挖界面的结合（纵向），清除坡面杂草，挖好向内倾斜的台阶。如结合面陡立，无法挖成台阶时，可采用土工钉加强结合。若地基土层具有强湿陷性或较高的压缩性，且容许承载力低于路堤自重压力时，可考虑采用重锤夯实，石灰桩挤密加固。
如对于老黄土透水性差，干湿难以调节，大块土料不易粉碎，使用前应通过试验决定措施。路床填料不得使用老黄土。新黄土为良好填料，可用于填筑路床。黄土路堤应分层填筑，分层压实，大于10cm的块料，必须打碎，并应在接近压实最佳含水量时碾压密实。
黄土地区应特别注意路基排水，对地表水应采取拦截、分散、防冲、防渗、远接远送的原则，根据设计及时做好综合排水设施，将水迅速引离路基。在填挖交界处引出边沟水量，应做好出水口的加固。
1.4软土地基处理
含水率过大可往孔内填干土粉或石灰粉，以吸去部分水分，或快速成孔浇灌或边成孔边下套管，或成孔后下套管；含水率过小，应预先浸湿加固范围内土层，成孔顺序应先外圈，后里圈并间隔进行；对已成孔，应防止受水浸湿，且应当天回填夯实；为避免夯打造成缩颈堵寒，应打一孔，填一孔；当桩孔较密，土质松软，应采取间隔跳打夯实。孔填料前应先夯打孔底3~4锤；根据试验测定的密实度要求，随填随夯，严格控制下料速度和夯击次数；回填料应拌合均匀，并控制其含水量；每个孔填料用量应与计算用量基本符合；夯锤重不宜小于100kg；锤型以梨型或枣核型较合适。有利于夯实边缘土，不宜采用平头夯锤，落距一般应大于2m；如地下水位较高，应降低水位后再回填夯实。已出现疏松、断裂或夹层，应用洛阳铲全部取出来，按规定重新填夯灰上，达到设计要求。
认真按操作规程施工；灰土要按配合比称量，搅拌要均匀，干湿要适度；每次下灰厚度、数量、落锤高度、夯击次数要按试验规定做到前后一致：施工中严格按质量评定标准进行抽样检验。强夯等表层处理的检测方法分为原位测试和室内土工试验。原位测试可采用静（动）力触探、旁压试验、十字板剪切试验以及平板载荷试验等等，质量检验的数量应根据场地条件和公路等级确定。
深层搅拌法的质量检测方法包括取样检验、现场载荷试验、开挖检验等多种检测手段。在施工期间应及时检查施工记录，确保工程质量。
总之，在公路工程施工中，路基施工的稳定性是十分关键的，我们必须根据具体的路段做具体的施工设计，只有这样才能保证路基的稳定，从而提高整条公路的质量，保证公路的持久和耐用性。
2.路基的沉降计算
在公路施工过程中，高速公路对地基要求甚高，为了实现其“安全、舒适、高速”的服务目的，在使用年限内不应出现较大的工后沉降，同时还应避免不均匀沉降的发生。目前用于计算沉降的方法很多，主要有传统计算方法、根据现场实测资料推测的经验公式法、数值计算法等。
2.1传统计算方法
经典的沉降计算方法将沉降分为瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降三部分。瞬时沉降包括两部分：由地基的弹性变形产生的和由地基塑性区的开展，继而扩大所产生的侧向剪切位移引起的。对于固结沉降的计算，主要采用分层总和法。次固结沉降常采用分层总和法根据里蠕变试验确定参数求解。最终沉降量的计算通常采用固结沉降值乘以经验系数的方法。
2.2分层总和法和有效应力路径法
分层总和法是先求出路基土的竖向应力，然后用室内压缩曲线或相应的压缩性指标，压缩系数或压缩模量分层求算变形量再总和起来的方法，这种方法没有考虑路基土的前期应力。e-lgp曲线法可以克服这个不足，能够求出正常固结、超固结和欠固结情况下路基土的沉降。但这两者都是完全侧限条件下的变形计算方法，所以司开普顿和比利提出利用半经验的方法来解决这个问题。关于分层总和法的介绍比较多，这里不再赘述。
直接用有效应力路径法来计算沉降的步骤是：①在现场荷载下估计路基中某些有代表性(例如土层的中点)土体单元的有效应力路径；②在试验室做这些土体单元的室内试验，复制现场有效应力路径，并量取试验各阶段的垂直应变；③将各阶段的垂直应变乘上土层厚度即得初始及最后沉降。
有效应力路径法可以克服估计初始超孔隙压力以及固结沉降的街接上存在不够合理的地方这个缺点，但它无法避免用弹性理论来计算土体中的应力增量。
2.3．现场实测资料推测沉降
由于荷载作用下路基沉降需要一段时间才能完成，所以通过前期的沉降观测资料可以推算路基的最终沉降量。
2.3.1对数配合法
由路基固结度常用式U=1-ae-bt及其定义式，在实测的初期沉降-时间曲线上任意取3点且使它们之间的时间间隔相等，可得最终沉降量。为了使推算结果精确一些，时间间隔值尽可能取大一些，这样对应的沉降差值就要大一些。
2.3.2双曲线配合法
该法认为时间沉降量为一双曲线，可由此确定路基的沉降量。但用该公式的计算结果与实测比较后发现偏离较大[3]，推算的最终沉降量也偏大，如果沉降过程的观测历时较长，而且在求算最终沉降量时着重于后一阶段的沉降曲线的话，就可得到较好的结果。
双曲线配合法模型简单实用，预测值较实测值稍微偏大，偏于保守，但对工程沉降预测有利。
3.3指数函数配合法
指数函数配合法即在沉降时间关系曲线上，取最大横载段内的三点，并使三点的时间间隔相等，将三点的时间与相应的沉降代入固结度的常用式U=1-ae-bt即可得指数函数配合法的具体表达式，由于上述方法中采用了实测的三点时间和对应沉降值，该方法又称三点法，三点的选择以沉降曲线趋于稳定的阶段，且三点间隔尽可能大最为有利，此时推算的沉降值最准确。
3.路面控制
3.1路基施工必须分层填筑,分层碾压,严禁路改工程中滚填。一般路段压实度不得大于30cm,构造物两侧(桥涵头处理)松铺厚度不得大于20cm,不同性质的土不能混填,同一种土填筑厚度不能小于50cm(两层)。路基填筑须全幅填筑,一次到位,严禁帮宽。碾压过程中,要控制好含水量,压实度达到规范要求后,方可进行后续施工,压实度检测每层1000m2(不足1000m2按1000m2计)不少于2点。根据不同填土类型和压实厚度,选择好压实设备,对于砂砾土振动压路机具有滚压和振动双重作用,效果较好。
3.2路堑施工要保证排水畅通。对上坡施工时,应注意确保坡体的稳定性,避免欠挖或超挖现象发生。石方爆破尽量采用中小炮,光面爆破的方法,避免大规模爆破形成松散面积过大,坡体失稳,机械开挖时,边坡应配以平地机或人工修整。路床顶面如有超挖,应清除松方并采用透水性材料进行回填,并认真碾压,压实度按路床项目标准进行控制。
参考文献：
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[3]黄润德.高速公路路基路面排水设计浅析[J].科技风,2009,(05).
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