G310国道加宽改建差异沉降分析与处理技术.docx
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G310国道加宽改建差异沉降分析与处理技术
G310国道加宽改建差异沉降分析与处理技术
摘要:
结合G310国道旧路加宽改建工程施工初期探索,阐述了加宽工程新、旧路基沉降的主要影响因素、分析沉降变形机理及主要防治控制技术措施,分析了加宽路基沉降计算方法及沉降动态观测要求。
Abstract:
CombinedwiththeinitialconstructionexplorationoftheG310NationalRoadoldroadwideningreconstructionengineering,thispaperexpoundsthemainaffectingfactorsofthenewandoldsubgradesettlement,analyzesthesettlementdeformationmechanismandthemainpreventionandcontroltechnicalmeasures.Andthewideningembankmentsettlementcalculationmethodandsettlementdynamicobservationrequirementsareanalyzed.
关键词:
新、旧路基;路基加宽;裂缝;差异沉降;分析;动态观测
Keywords:
newandoldsubgrade;wideningsubgrade;fracture;differentialsettlement;analysis;dynamicobservation
中图分类号:
U416.1文献标识码:
A文章编号:
1006-4311(2015)16-0162-04
0引言
随着运输业的发展和巩义市产业集聚区的开发建设,过往车辆不断增多,加之大型载重车辆吨位较大,使G310国道路面长期处于超负荷使用状态,造成路面损坏严重,老路面出现推移、坑槽、沉陷、裂缝及松散等病害,现有公路已经不能满足目前交通量及沿线经济发展的要求,因此亟需对其进行加宽扩建。
目前国内旧路加宽改建发展很快,但尚缺乏成熟的、统一的路面加宽设计方法和施工技术规范。
旧路加宽与新建道路相比,具有工艺更复杂、质量要求更高、施工难度更大等特点。
原G310国道旧路路基经过多年的沉降已经趋于稳定,但是新加宽路基成型后需要经过一个沉降过程,由于新、旧路基沉降时间的不同,两者能否完美的结合在一起已经成为了运输业的一个新课题,如果新、旧路基不能很好的结合在一起可能出现路面开裂和破损现象,影响汽车的安全行使,不仅降低了社会经济效益,同时加大了道路维护费用。
本文结合该国道加宽改建,并根据类似工程经验针对路基沉降问题做出几点看法,希望能为其他旧路加宽工程提供借鉴。
1加宽方案
改建310国道横穿巩义市回郭镇产业集聚区,沿线居民房屋、建筑物、电力通信国防线路等错综复杂,因此设计采用双侧对称加宽方案。
双侧对称加宽特点是新、旧路基中线基本重合,道路加宽后路面能较多的利用原有道路的路基,其缺点是新、旧路基土之间的整体性和紧密结合性难以保证,形成了两个新、旧路基的衔接面。
该道路路基加宽方式如图1所示。
2新、旧路基差异沉降分析
在国内其他道路加宽工程中,由于新、旧路基之间沉降问题造成道路通车后路面出现各种裂缝的情况是很常见的,比如块状、横向、纵向、网状等,其中最严重的是纵向裂缝。
新加宽路基工后沉降较大,而老路基的固结沉降已基本完成,加之新、旧路基施工时间间隔长,造成两者路基的物理力学性能存在很大的区别,最突出的表现在两者的沉降量存在较大差异,而且两者之间的差异沉降还会随着通车时间的增加而扩大,在这种情况下很容易导致老路基变形,出现新、旧路基在衔接处拉裂、下沉过速等病害。
新、旧路基产生沉降的主要因素有:
2.1地基条件
原路基在长时间汽车荷载的作用下,其地基土已经完全固结,软土地基强度得到了很大的提高,改变了自身的地基物理力学。
但是在同样的力学作用下,由于新加宽路基的地基土没有完全固结,就会出现一定的沉降增量,导致新、旧路基差异沉降出现。
2.2物理力学性质
路基加宽处理后结合部位的路基材质与路面结构厚度、强度不一,另外新加宽路基土的压缩变形和塑性累积变形比老路基大,如此一来两者结合的地方会出现一个临界面,往往这个临界面就是路基开裂的位置。
2.3荷载作用
经过多年的通车运行G310国道的地基基本上已经固结完成,地基土和原路提之间已经形成了整体板结,在对路基两侧进行加宽时,由于整体结构刚度大,新加宽路堤自重会以偏心荷载的形式作用于老路基,导致新的附加不均匀沉降增量,其大小与偏心荷载的作用距离有直接的关系,距离越近影响越大,反之越小。
对于目前G310国道来说,同时对称加宽两侧,出现的沉降增量呈反盆形分布,其中最大的是两侧加宽形成的断面形心垂线处,最小的是在原路基中心,而自形心垂线位置至加宽后的新路堤堤脚之间逐渐减小,原路堤荷载形成的沉降及加宽部分形成的沉降分布见图3所示。
2.4新路基加宽宽度
沉降变形特性也受新路基加宽宽度一定的影响。
随着加宽宽度的变化,加宽段路堤形心处最大沉降增量和路堤中心沉降量也在发生着变化,随着前者的增加而增加,另外原路堤中心的沉降增量的变化率会随之减少,直到一定的宽度后才会停止变化,趋于稳定,加宽宽度的增加还会增大加宽部分形心的沉降增量,直到到达一定数值的加宽宽度后,原路基中心沉降增量与加宽后形心处的沉降增量相同。
2.5施工压实度控制
满足路床顶面检验时的路基整体强度回弹模量、弯沉值达到铺筑路面底基层的要求是路基压实的作用。
但在具体的施工中,由于新、旧路基结合处台阶根部的压实工作施工难度很大,实际上很多都没有依照相关的规范要求进行施工,无法达到设计标准。
另外加上雨后根部因积水下浸而软弱,加宽用土土质纷杂不均匀等原因,更加增加了压实工作的难度。
同时压实度的准确性和代表性很难进行科学的测量,很多的因素都会影响到它的最终测量结果,比如土质差异、压实遍数等。
2.6水的作用
一旦新、旧路基台阶结合部的土层遭到水的作用,比如侵水潮湿等,很可能出现形变,加大路基原本的横向不均匀沉降,导致路面出现纵向裂缝。
2.7侧向位移
如果在填土重力的作用下,加宽段路基边坡坡脚出现纵向位移现象,很可能带动上面的填土沉降和侧向位移,进而影响到整个加宽部分的稳定性。
3新、旧路基不均匀沉降机理分析
新、旧路基间不均匀沉降的大小与拉应力有着直接的关系,一旦新、旧路基间不均匀沉降的大小达到某个数值以后,路基、路面的抗拉强度就会小于新、旧路基间的拉应力,导致路面出现裂缝现象,所以,路面是否裂缝和路堤的拉应力有着直接的关系,而路堤的拉应力和新、旧路基间不均匀沉降的大小有着直接的关系,因此问题的关键是如何控制不均匀沉降。
沉降控制过程不是一成不变的,应该结合原路基的稳定状况随时变化,具体如下:
3.1原路基的稳定状况较差,现阶段仍存在较大的沉降变形。
在这种情况下设计时,需要考虑两方面的因素,一是原路基自身的沉降变形;二是对于旧路基来说,新加宽路堤荷载路段对其造成的关于沉降量的影响,只有控制好这两方面的因素,才能保证新、旧路基之间的沉降控制是有效的,进而保证道路的安全通行。
3.2原路基的稳定状况较好,其固结沉降变形基本完成,新、旧路基间的差异沉降主要由新加宽路基的自重引起,本次国道改建便属于此种工况。
3.3加宽段存在坡脚邻近湿地的情况,为了保证施工能够顺利的安全进行,通常都会进行抽水清淤工作,因为如果原地基具有较好的透水性能的话,就会在旧路基内地下水位和两侧基坑底形成水位差,在这种情况下,旧路基下的地下水就会往外流,导致地下水位的降低,如此一来很多原先处于地下水位以下的地基就会变成水上部分,此时其容重也发生了变化,随之变化的还有其对地基的作用力,加大了其作用于地基的垂直向偏心荷载,进而引发反盆形沉降增量,导致原路基、路面拉应力不断加大,长此以往下去一旦这种拉应力超过路基路面的抗拉强度,就会出现不可逆转的后果,导致路面出现裂缝。
另外地下水位的降低还会影响坡脚处地基土壤渗透变形,十分不利于原路基的养护。
4控制不均匀沉降的技术措施
4.1加宽段路基原地面处理
路基沉降中原地面沉降占的比例比较大,尤其是软土地基路段的沉降,本段设计中对于软土地基路段采用的是简便易行的换填砂砾石及抛石挤淤填筑,抛石挤淤粒径大小不小于15cm,填石压密,孔隙率不大于22%控制。
4.2加宽路堤本体沉降处理
处理加宽路堤本体沉降可利用大吨位振动压路机来碾压土体,必要时需要增加碾压遍数,达到增加路基压实度的目的。
4.3加宽路基新旧衔接
采用开挖台阶方式,并铺设土工格栅等措施来保证新、旧路基有效地形成整体。
本国道改建便是采用台阶方式,铺设塑料及钢塑土工格栅来提高地基稳定性,但根据相关类似工程经验来说,路基整体切除式的路段的纵缝明显少于台阶式填筑的路段,理论上台阶式路基的不均匀沉降要小,但是现实是完全相反的,主要原因就是压实度不足造成的。
实际中台阶式路基填筑施工不方便,再加上如果填筑方法不当、填料含水量、松铺厚度的差异,均能造成压实度不均匀,尤其在台阶接缝处,新、旧路基不能很好的结合,以致造成薄弱面。
加宽路基段施工时,应先根据填土高度确定最底层台阶高度及具体位置,从下往上,逐层开挖,为减少差异沉降,应及时铺筑新拼接路基。
开挖台阶方式如图4所示。
4.4增大加宽路堤强度
为提高路基稳定性,增大加宽路堤强度是一个有效措施,如此能够有效减少旧路基和加宽路基之间的强度差异,保证原路基与加宽部分的整体性。
4.5桥涵台背处理
为减少桥涵两侧路基产生不均匀沉降,减轻跳车现象,提高车辆行驶的舒适性,对桥梁、涵洞两侧路基填筑需进行特殊处理,桥梁、涵洞采用砂砾石填筑夯实,底部长度为基础外边缘沿路基方向(H+2)m处,顶部长度为(2.5H+2)m,压实度不低于96%。
4.6合理组织工期
桥头路基、软土路基填土施工应提前安排开工,合理安排工期,尽可能增大路面铺筑前的沉降时间,以最大限度地减少工后沉降,确保路基稳定。
4.7沉降动态观测
沉降动态观测是保证路基稳定的有效方法,施工过程中观测沉降量不仅是计算路面铺筑时间的重要资料,也是填料计量的理论依据,通常包括两部分:
一是沉降观测;二是稳定观测。
沉降观测纵向每100~200m布设一个观测断面,要求每个路段至少三个观测点,桥头纵向两侧坡脚处各设一个观测点,桥头段应设置2~3个观测断面。
观测频率:
在停工期间,定时三天观测一次,施工期间每填筑一层观测一次,路堤填高超过极限高度之后,每天需观测一次。
另外主要注意的是为了保证临时水准点的准确性和科学性,需要每三个月对其进行校准一次,严格依照相关的规范标准进行设置和操作。
侧向位移稳定观测其位移点布设在存在其他稳定问题的路基两侧坡脚处,基桩须布设在坡脚外路基沉降影响范围20m以外,侧向位移点纵向间距每50m两侧各设置一处。
5加宽路基沉降计算方法分析
5.1原路稳定状况的评价
要想选择合适的工后沉降推算方法,对原路基稳定状况进行评价是必要的,这是加宽路基质量控制的关键,只有这样才能观察和控制加宽路基的沉降,进而发现其中的变化规律。
在选择最终的地基施工方法的过程中,只需在此基础上,结合加宽路基的沉降控制标准,预测出加宽部分的沉降量即可,就可以选择出最合适的地基施工方法。
5.2沉降计算方法分析
根据类似工程经验,在沉降分析中,一般采用分层综合法计算新加宽部分路基的地基总沉降量。
该方法以无侧向变形条件下土的压缩量公式为基础,假定旧路路基下的地基已趋于完全固结,计算参照《公路路基设计规范》(JTGD30-2004)中表7.6.4-2,拟定新、旧路基结合部位沉降标准为:
工后沉降≤10cm。
①主固结沉降计算。
根据《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》第4.3.1.1条,用e-p曲线和分层综合法计算主固结沉降。
②地基总沉降。
根据《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》第4.3.4.1条的经验公式S=m×Sc计算总沉降量(m为沉降系数,范围1.1~1.7),高路堤处取1.6,低路堤取1.2。
③在地基固结过程中任意时刻t的地基沉降:
St=(m-1+Ut)Sc;地基平均固结度Ut根据《公路软土地基路堤设计与施工技术规范》第4.3.5条计算。
通常分析加宽工程进行沉降和固结规律时采用的都是二维或三维理论。
在实际的计算过程中,需要考虑原路基荷载对地基沉降的影响,此点直接影响对压缩层厚度、沉降计算方法的选取。
因此,在选择之前应对原路基的稳定状况和地基处理方法进行综合分析评价,以下就不同稳定状态时采用的沉降计算方法进行分述。
5.2.1原路基沉降变形已稳定
在这种情况下进行沉降计算时,只需考虑新加宽路基的荷载即可,不需要考虑其他的因素。
由于原路基沉降变形已稳定,原路基荷载对沉降计算的影响可以忽略不计,一般按一维沉降计算方法进行固结和沉降计算。
5.2.2原路基固结变形仍在继续
在这种情况下应该考虑原路基荷载对沉降的影响,在进行沉降计算时需要结合原路基荷载对沉降的影响计算沉降固结,之后把加宽荷载当成是下一级荷载施加,然后从中发现地基沉降变形规律,主要注意的是为了保证计算结果的准确性和科学性,应该在计算过程中对各项参数进行必要的检验,保证其有效性。
如果原路基固结变形仍在继续,而地基出现明显的侧向变形的话,应依据可反映侧向变形的二维理论进行沉降和固结变形计算。
6实例效果分析
以G310国道加宽改建工程来说,通过加强对加宽段路基原地面处理、路堤本体沉降处理及路基新旧衔接等一系列控制不均匀沉降技术措施,最终取得了满意的效果,其中:
路基弯沉均小于设计要求,整体沉降均控制在2~3cm,且处于稳定状态,通过后续路面调整施工标高后均达到设计标高,路面自竣工交付通车运营一年后尚未发现桥头跳车、局部沉陷和加宽台阶处出现纵向裂缝等现象。
7结语
不均匀沉降问题是路基加宽后面临的最大问题,必须采取合理的方式进行解决,首先应该制定科学的路基加宽方案,合理分析其地基沉降和稳定性,准确了解和掌握加宽部分地基的最终沉降量和影响因素,同时要求其结合相关因素检验其剩余沉降量是否满足工后沉降量的要求,以此来提高加宽路基最终的可靠性及稳定性,注意不可适用于铁路等路基加宽或拓宽改建施工中。
参考文献:
[1]JTGF102006.公路路基施工技术规范[S].北京:
人民交通出版社.
[2]JTGD30-2004.交通部部颁标准.公路路基设计规范[S].人民交通出版社.
[3]李君涛.浅析高速公路路基加宽方案.
[4]JTJ017-96,交通部部颁标准.公路软土地基路堤设计与施工技术规范[S].人民交通出版社.
[5]李孟绪.公路扩建与沉降分析[J].
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