高速公路填方路基不均匀沉降破坏形式及成因分析探讨
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作者: 李文军
摘要：本文结合笔者多年公路施工实践，介绍了高速公路填方路基不均匀沉降引起破坏的多种形式，并针对多种破坏形式详细分析阐述了不均匀沉降产生的各种内在原因，旨在与同行交流，在施工过程中做到早预见，早防治，以减少因公路路基不均匀沉降引起的病害带来的损失。
关键词：高速公路；填方路基；不均匀沉降；裂缝；成因分析
中图分类号：U416.1
文献标识码：B
文章编号：1008-0422（2008）08-0207-03
1前言
随着公路建设的快速发展，路面病害现象也越来常见，严重影响路面的使用性能。路面病害的形式多种多样，如沥青路面病害形式主要有裂缝（纵向裂缝、横向裂缝、龟裂）、变形（车辙、波浪或搓板、沉陷、隆起）、松散（磨光、松散、剥落、坑槽）等。水泥混凝土路面主要有两种类型：一为结构性损坏、如开裂、变形、接缝损坏等，另一类为功能性损坏，如表面滑溜、表面损坏等。路面病害的发生原因是多方面的，如施工、材料、超载、路基沉降、排水和气候等。这些因素当中，路基不均匀沉降或与其它方面的联合作用对路面损害的影响更为严重，往往造成路面结构的整体变形和破裂。
2填方路基不均匀沉降的破坏表现形式
2.1填土裂缝
填土裂缝是指由填土内部发展而成的裂缝。填土裂缝由于其成因的不同，可能出现在填土路堤的各个部位。微小的裂缝是广泛存在而且无法避免的，但是过大的裂缝却会造成路基或路面的损坏，甚至使公路完全丧失营运能力。因此，研究裂缝问题是一项很有意义的工作，它将对设计、施工有一定的指导作用。
路堤是由散粒材料填筑而成的，在自重和其它因素影响下，路堤会产生一定程度的竖向和水平方向的变形。由于路堤各部位（或路堤与结构物）间变形量不同而造成不均匀沉降，从而，在路堤的不同部位形成拉伸应变区和压缩应变区。在拉伸应变区内，由于填土的抗拉强度很低，在这些部位就容易产生变形裂缝。研究资料表明，土石坝在沉降梯度达0.6%～1.4%时，就有出现裂缝的可能。
填土裂缝的类型可以从不同的方面加以分类。按部位可以分为表面裂缝和内部裂缝；按走向可以分为横向裂缝、纵向裂缝和龟裂缝。按成因可以分为变形裂缝、水力劈裂裂缝、渗流裂缝、滑坡裂缝、干缩裂缝、冰冻裂缝和振动裂缝等。其中，对路堤影响最大、出现频率最多的是变形裂缝。
变形裂缝根据其产状与路基延伸方向的关系，可以分为纵向变形裂缝和横向变形裂缝。
现在，已经得到设计、施工部门重视的一种横向裂缝是路堤与桥梁、涵洞等的交接处，由于台背与填土的沉降差异，以及由于台背填土（难于压实）与路堤压实土间的沉降差异而产生横向裂缝。
2.2路面病害
路面病害的形式多种多样，其发生原因也是多方面的。其中路基不均匀沉降或与其它方面的联合作用对路面破坏具有相当影响，往往造成路面结构的整体变形和破裂。下面简要介绍这类路面变形和破裂的特征。
2.2.1沥青路面变形
由于路基发生不均匀沉降而导致的路面变形也是不均匀的，一般总有明显的沉降中心。如某高速公路在路面铺筑完成到通车前，路面就发生明显的沉降变形。实测资料表明，该路段有四个显著沉降段和四个一般沉降段。四个显著沉降段的最大沉降量一般都在190mm以上，最大达到298mm；同一沉降内，左右半幅的最大沉降幅度略有不同，其差值在6mm～44mm之间。段内沉降量的变化有渐变性，有明显的沉降中心。四个显著沉降段的累计长度达800m。四个一般沉降段的沉降量一般在92mm以下，最大为101mm。一般左、右半幅的沉降量不同，沉降中心也不再同一里程点上。现场的踏勘表明，沉降段位于低矮山脊之间的冲沟内或半坡上。一般沉降段的累计长度为690m。路面沉降沿路面横向的变化有基本相同的，也有不同的。总体上，路面沉降量的空间分布比较复杂，沉降中心可能是位于路面某一部分，也可能某一路段。当路基刚度变化不大时，路基沉降空间分布是渐变的，路基刚度相关明显时，则会出现错台，如桥头跳车等。
2.2.2纵向裂缝
一般发生在距路堤边缘3m～5m(行车道与紧急停车带分界)处，也有一些发生在互通或服务区加减速车道与行车道的拼接处。裂缝形式有两种：一种为纵向直线形，裂缝两端未延伸到路堤边缘；另一种为纵向弧形，裂缝两端延伸至路堤边缘。后一种可能引起路堤滑动，危险性更大。路面纵向裂缝一般总有相应的路基纵向裂缝对应。
2.2.3横向裂缝
目前，我国高速公路广泛采用以二灰或二灰土等为底基层、二灰碎石为基层的半刚性材料。据调查，在半刚性基层的沥青面层上横向裂缝是极为普遍的，国内外许多学者甚至认为半刚性基层沥青路面产生横向裂缝是不可避免的。根据成因，可以将半刚性沥青路面横向裂缝分为以下几类：
2.2.3.1基层反射裂缝
基层成型过程中，因基层材料失水收缩，或面层材料因温度骤降而发生低温收缩等，使沥青面层底面承受拉应力，当拉应力超过沥青面层的抗拉强度时，沥青面层底部开裂。随着湿湿的循环变化及行车荷载反复作用，这种沥青面层底面裂缝沿竖向向上扩展到路表，从而形成沥青路面横向裂缝。从现场取样看，面层裂缝与基层裂缝上下贯通，且下宽上窄。
2.2.3.2沥青混凝土的湿缩裂缝
因沥青是一种对温度变化比较敏感的粘弹性材料，温度下降时，沥青混合料逐渐变硬变脆，并发生收缩变形。当收缩拉应力超过沥青混凝土的抗拉强度时，沥青路面表面就会被拉裂，并逐步向下发展，形成上宽下窄的横向裂缝。由于大多数的高速公路上面层采用进口优质沥青或改性沥青，沥青混合料的自身低温抗裂性能较好，故此种横向裂缝相对较少。
2.2.3.3差异沉降引起横向裂缝
在软土地基与非软土地基交界处、软土地基处理方法变化处或构造物台背与路段交接处，因地基或路基与构造物的差异沉降导致基层的开裂，并反射到沥青面层，形成横向裂缝。这种横向裂缝在软基分布比较广泛及构造物众多的水网地区的高速公路上有一定比例。
2.2.3.4网裂、沉陷和坑槽
在高速公路行车道上（特别是在车轮轮迹处）常能发现路面网裂、沉陷及坑槽病害，且在网裂、沉陷处常伴有翻浆现象。如网裂、沉陷不及时处理，在雨后极易形成坑槽。沥青路面网裂、沉陷、坑槽的形成主要原因有：基层施工质量差；沥青路面空隙率过大；沥青与石料粘结性差；车辆油渍污染；汽车超载的影响等。
2.2.4水泥混凝土路面板断裂
当路基过量沉降或不均匀沉降，使路面板脱空而失去支撑或均匀支撑，路面板内的应力超过混凝土强度，导致路面板断裂。
路基不均匀沉降发展沿路基纵向是不均匀的，一般在沉降中心及附近处，不均匀沉降持续发展。从沉降中心处沉降量随时间变化曲线看，沉降变形随时间的发展有三种类型：渐趋稳定型（图1）、等速发展型（图2）和加速发展型（图形3）。在沉降变形的发展过程中，沉降变形的发展也并不是等速的。
3高速公路填方路基不均匀沉降成因分析
影响路基沉降的因素很多，如荷载大小、土的性质、土层分布及土的应力历史等。大量的调查研究表明，路基不均匀沉降是多方面因素综合作用的结果。归纳起来，填方路基不均匀沉降模式有以下几种：
3.1路基填土压实度不足
由于压实度不足，往往导致填方路基的不均匀沉降变形，路基两侧出现纵向裂缝。路基土体压实度不足的主要原因有以下几点：
3.1.1施工受实际条件的限制。路基施工时，天气太干燥，局部路堤填料粘土土块粉碎不足，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；某些加减速车道与行车道没有同步施工，当拼接处理得不好时，其拼接处也会产生压实度不足的情况。
3.1.2考虑到施工安全和进度，使得压实或压实作用时间不足。路基压实不充分，致使路基压实度达不到要求。
3.1.3由于填方土体的最佳期含水量控制不力，压实效果达不到。
3.1.4在填方路堤施工中，当路堤施工到一定高度以后，路堤边缘土体往往存在压实度不足的问题。对于较高的填方路基，通常都要做相应的处治。
填方土体压实度不足，其结果是土体前期固结压力小于自重应力和各种附加应力之和，在自重作用下就会发生沉降变形这些附加应力主要来自以下几个方面：a.车载，尤其超载情况；b.含水量变化造成土体容重的改变；c.地下水位繁荣昌盛降而导致浮力作用改变；d.土体饱和度改变，引起负孔隙水压力改变。这些附加应力引起土体中有效应力改变，从而导致土体发生压缩变形。
土体压实度不足还会导致填土路基的侧向变形。目前采用的地基沉降计算方法是假定侧向完全受限，仅有竖向变形，实际路基土中存在侧向变形，这种侧向变形会引起沉降。
3.2地基中存在软弱土层或岩溶
软弱土层本身力学性能差，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。
有些河谷、水塘地段虽作了清淤处理，但是处理不彻底或回填材料控制得不好，从而形成人为的相对软弱土层。在高填方填筑后，地基出现不均匀沉降，从而造成路基的不均匀沉降，甚至路面开裂。
在一些地表水和地下水自然排泄困难的寺方，地基土中软弱土层固结过程中的较大沉降变形是产生过大沉降和沉降差的重要原因。有些路段所处地基不属于软土地基，但是处于丘陵低洼、河谷处，长期受水冲蚀天然含水量较高，在设计时未发现或未作特殊处理，在施工时也未作等载或超载预压，也会产生不均匀沉降。
在碳酸盐岩地区，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。
一般来说，土层的天然含水量超高、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。故地基中存在软弱土层或岩溶容易导致路基不均匀沉降。
3.3路基刚度差异显著
路基综合刚度是指沉降变形有效深度范围内综合的抗变形能力。由于路基表面并非总是水平，公路构筑物与路基土体刚度差异明显，在相同外力（车载等）的反复作用下，变形量不同，一般会出现两种情况：一是出现明显的差异沉降，导致路基路面裂缝破损；二是虽然没有明显的差异沉降，但在每次外力作用时，路面结构和路基表层内由于差异变形而出现不利的附加拉力或剪力，路面结构和路基表层在这个力的多次反复循环作用下，必须产生疲劳破坏，导致路面或路基病害。
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，在车辆动载等作用下，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。
3.4路堤填料不均匀
在公路施工过程中，对填料、级配很难得到有效的控制，填料常常是路堑的挖方、隧道掘进产生的废方。这些填料性质差异大、级配也相差很远。一方面，在施工过程中，如果分层碾压厚度过大，小颗粒填料和软弱物质很难得到有效压实，在荷载的长期作用下，回填料产生不协调沉降变形，路面会产生局部沉陷，刚性路面还可能产生裂纹或缝隙。另一方面，由于回填料的性质不一样，特别是有的回填料具有膨胀性，在路基排水系统局部失效后，水的渗入会使路面局部隆起，影响行车舒适度，严重的会使路面破坏。
3.5地下水的影响
路基不均匀沉降的发生是多种因素综合作用的结果。其中，内因在于路基及地基本身，外因是车载、地下水及自重作用。
在地下水的交替作用下，路基土体内含水量反复变化。土体容重在一定范围内波动，更为重要的是，由毛细管张力引起的风孔隙水压力可以达到相当的数值，再加上水的软化、润滑效应，可以使土体产生沉降变形。
路基或地基中地下水的动态特征对路基不均匀沉降影响很大。路堤及其地基中的地下水主要补给来源有三种类型，即地下水侧向补给、降雨实给、地表水侧向补给。其动态变化及潜蚀作用影响到土体中的有效应力分布、土体的结构特征和土体强度，从而导致路基的不均匀沉降。
地基中软土层一般总为饱和软土层，位于地下水位以下，而饱得软土层沉降变形总是以渗透固线和次固结沉降为主，并需要相当长的时间才能基本完成。路基填土及车载等在软土层中产生的附加应力，这个附加应力首先被软土层中的水承担，称为超孔隙水压力。如果对软土层没有采取强化排水措施或较长时间的超载预压，软土层中的超孔隙水压力消散时间就很长，有效应力增长缓慢，沉降变形就会长时间持续进行。
此外，由于路基为条形，软土层中附加应力的分布沿水平向是不同的，会破坏软土层原有水平方向的平衡。所以，软土层在发生竖向沉降的同时，也会在水平方向上产生侧向塑流变形。渗透固结沉降完成后，超孔隙水压力基本消散，但是粘粒之间并没有达到平衡状态，这种粘粒之间为平衡而进行的调整，称为次固结沉降。
填方路堤及其地基中高于地下常水位部分，其中的地下水主要来自降雨补给，含水量变化于饱和和非饱和状态，处于非饱和状态的时间一般多于处于饱和状态的时间。当然，受到气候条件（干旱、半干旱、潮湿）的影响，其中含水量变化的速率不同。在含水量变化的过程中，土体中的有效应力也会发生变化。
3.6复合型
路基不均匀沉降的发生，并非上述某一单方面原因，而可能包括设计、施工及其各种荷载作用。典型的如边坡失稳造成的路基路面病害，就是多种原因共同作用的结果。
4结语
减少路基的不均匀沉降是一个值得不断研究的课题，笔者认为有关工程人员应该做到早预见、早防治、发现问题及时采取有效的补救措施，在施工中不断地积累经验，把病害减小到最低限度，确保填方路基有足够的稳定性和耐久性，能承载车辆的反复荷载作用和抗御各种自然因素的影响。
参考文献:
[1] 赵佳军，黄志福.高速公路沥青路面病害处治，华东公路：2000-04.
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