目前我国地域广阔，山区、山丘区面积约占全国总面积的70%。在山区高等级公路建设过程中，由于地形起伏大、地质构造复杂，路堤填筑较高，路基工程竣工后容易发生差异沉降。过大的路基差异沉降使得路面结构产生较大附加应力，当附加应力大于材料的抗拉强度时路面结构将发生开裂破坏，形成裂缝、错台等病害，直接影响路面结构的使用性和耐久性。因此，路基差异沉降控制是山区高等级公路工程建设过程中的重要内容。本文以某高等级公路工程为依托，分析了山区高等级公路路基高填方涵洞构造物处差异沉降的处治。
1山区高等级公路路基沉降原因及影响因素分析
1.1路基土变形机理分析
（1）路基土体变形特性。①非线性与非弹性。普通材料受轴向压力作用时，应力一应变关系表现出明显的弹性变形阶段与塑性变形阶段。应力较小时，材料处于线弹性状态，应力达到某一临界值时应力应变关系转为曲线，材料同时存在弹性变形与塑性变形。土体受力后线弹性变形阶段不明显，非线性变形是其主要形式。土体由松散颗粒构成，受力后颗粒之间的孔隙改变在荷载卸除后不能恢复，形成较大的塑性变形。因此，土体在各种应力状态下均存在塑性变形，非线性与非弹性是土体变形主要特征。②各向异性。路基土为层状分布，同一层内土体性质差异性较小，但各层之间土体性质存在明显差异。在水平方向路基土可认为是各向同性，而竖直方向上由于土质不同，土体各项参数，如容重、模量、渗透性各不相同，因此在竖直方向路基土为各向异性。③剪缩与剪胀特性。土体在压力作用下会发生塑性变形，在剪切作用下也会引起塑性体积变形。在三轴试验中，对土样施加侧向压力的同时减少围压，并保持法向应力不变，土样仍存在体积应变，这种体积应变由剪切引起。由剪切引起的体积收缩称为剪缩，剪切引起的膨胀称为剪胀，剪缩与剪胀是土体变形的特性之一。
（2）路基土体压缩特性。路基土体是由固相、液相和气相组成的三相体，土体受力后的压缩变形包括土颗粒及水的压缩、土体中孔隙水和气体排出引起的体积变化。工程实践表明，一般情况下土颗粒和水的压缩量极小，不及土体压缩量的1/400，气体的压缩量较大，但只有在密闭环境中气体体积才能产生压缩，路基土处于开放环境中，土体孔隙中的气体在压力作用下只能被挤出，而不产生压缩变形。因此，土体孔隙中水分和气体受压排出是引起路基土体压缩变形的主要原因。土体压缩变形特性与水和气体的排出速度有关，随着土颗粒接触点的增加，压缩逐渐减弱。
（3）路基土体压实特性。公路建设过程中，为了提高路基土体的承载能力，需要对土体进行压实处理。在压实过程中土颗粒重新排列，气体排出，密实度增强，土体工程性质得到改善。土体压实特性同土体的含水量有密切关系。含水量偏低时，土颗粒间不能形成水膜，对土颗粒的重新排列起不到润滑作用，尽管此时土体孔隙较大，但压实效果较差。随着含水量逐渐增加，土颗粒间水膜变厚，土颗粒在外部压实功能作用下排列紧密，压实效果得以改善。土体在最佳含水量附近时，最有利于土土颗粒压实。
1.2路基差异沉降产生原因分析
（1）地形与地质条件。地形与地质条件是影响路基工程质量的主要因素之一。当工程地质条件不良，原地基存在软弱夹层，或地基土性质差异性较大时，在路基填筑过程中如果不对其进行特殊处理，填筑完成后，地基在附加应力作用下发生排水固结，产生较大的沉降变形或差异沉降。在山区修建高等级公路时路线经常穿越沟谷地带，使得路基在横断面、纵断面都呈不规则分布，同一断面路基填筑高度不同，造成地基所受附加应力大小不一，路堤自重在同一断面处存在差异，随着时间延续，路基逐渐产生横向或纵向差异沉降，严重影响路基路面结构的使用性能。
（2）水文气候条件。水是引起路基路面损坏的主要因素之一。土体中的地下水、大气降水、河流等都是引起公路工程灾害的自然因素。当路基土中含水量较大时，路基在施工期内不能及时排出土体中的孔隙水，造成路基孔隙水压力较大，消散时间较长，路基发生工后固结沉降的时间缓慢，沉降量较大，对于道路的使用性能有较大影响。大气降水也是影响路基施工质量的主要因素。如果路基施工季节降雨量较小，路基土含水量难以达到最佳状态，影响路基压实效果。路基施工过程中如果暴雨集中、强度大，雨水渗入路基后使得土体局部软化，发生湿陷变形，从而引起路基差异沉降的产生。#p#分页标题#e#
（3）路基填料种类及质量。路基填料性质是影响路基差异沉降的关键因素之一。路基填筑后对地基形成附加应力，附加应力的大小与均匀性是影响地基沉降的主要因素。路基填料性质不同，造成路堤底面附加应力大小存在差异性，使得地基变形量产生差异，引起差异沉降。同时，路基填料本身的压缩性也受其性质影响，如果填土中含有腐殖土或泥沼土等劣质土，路基在后期荷载作用下会在这些地方产生沉陷破坏，保证路基填料的强度与均匀性是减小路基差异沉降的有效措施。
（4）路基设计、施工因素影响。进行公路路线设计时应尽量避开工程地质不良路段，并对沿线地基土性质、路基填料性质进行详细勘察，便于在路基设计时根据具体条件制定合理的路基沉降控制措施。如果设计资料中关于地基及路基填料性质参数不准确，设计时无法对路基沉降控制采取有效措施，造成设计方法不合理，影响路基施工质量。路基施工过程中采用分层填筑，分层碾压。分层厚度对于路基压实质量控制具有重要作用。如果随意增大碾压厚度，路基压实度将达不到规范要求，在后期荷载作用下路基必然产生沉降变形。路基施工时如果对于软弱地基、填挖交界路基、桥涵台背等易出现差异沉降的地方未采取特殊处理，或处治方式不当，也是引起路基差异沉降的主要原因。
2山区高等级公路路基高填方涵洞处差异沉降病害分析
随着山区高等级公路建设迅猛发展，高填方路基所占比例越来越大，高填方路基稳定性和差异沉降的控制成为目前山区高等级公路质量控制的重点，横穿公路的机耕通道、过水涵洞等构造物数量不断增加，且主要集中在高填方路基段。涵洞等构造物附近，往往成为高等级公路产生病害的薄弱环节。相关研究表明，除涵洞顶部过大的竖向土压力对涵洞造成的破坏外，涵洞两侧路基相对与涵洞自身产生的差异沉降，也是影响公路使用性能的重要问题。公路涵洞常见病害见表1。

表1山区高等级公路高填方涵洞病害汇总表
分析表1可以得出，山区高填方涵洞病害普遍存在且形式多样，不同的结构形式破坏特征也有所区别，结构荷载过大或地基刚度不均匀引起的差异沉降是各类高填方涵洞发生道路病害的主要原因。
3山区高等级公路路基高填方涵洞处差异沉降处治策略
本文针对某高等级公路沿线不同土质及涵洞顶部不同填土高度建立路基模型，对原地形、地质条件下涵洞顶部差异沉降进行分析。
（1）原地形、地质条件下差异沉降。某高等级公路沿线地形、地质构造复杂，地基及填料性质差异性大，在涵洞、通道等结构物处原地基与经过处理的结构物基础之间刚度存在差异性，地基土承载能力越低这种差异性越显著。在路堤荷载作用下，不同承载力地基产生的沉降量不同，从而造成差异沉降的产生。如果不对其进行工程处理，较大的差异沉降会使路基及路面结构发生破坏。
（2）工程设计方案差异沉降。涵洞处地质状况及原工程方案。某高等级公路涵洞所处地基主要为冲洪积层的卵、砾石，也存在亚粘土、亚砂土等细粒土，地基土性质良好，基础稳定。路基填筑材料取于借土场及隧道洞渣，属于土石混填路基。为减少路堤堤身工后沉降，该高等级公路对于全线填高大于10m的路基，每填筑4.0～4.5m进行一次强夯处理，要求强夯后下路堤(路面底面150cm以下)压实度在93%以上。由于强夯影响深度大，对于涵洞、通道处只采用普通压实和振动压实。同时，为减小强夯施工对构造物产生不利影响，在桥梁和涵洞两侧路基设置非强夯区。非强夯区长度为2H+5(H为桥台或涵洞高度)，某高等级公路非强夯区长度为20m。非强夯区内路基压实度)96%，对于取消强夯的路段，路基每填筑4m铺设一层土工格栅，如图1所示。

图1 原设计方案格栅布里示意图
（3）原工程方案分析。以通道左侧为例，20m范围内为非强夯区，处于非强夯区的土体压实度相对较低且地基所受的强夯作用小于邻近区域，地基承载力小于强夯区及经过特殊处理的涵洞处地基。因此，该部分土体沉降量相对较大，容易引起差异沉降。按照原工程方案，只在强夯区与非强夯区交界处设置土工格栅，并不能减小非强夯区与涵洞交界处的差异沉降，土工格栅的作用得不到充分发挥。本文针对某高等级公路沿线不同土质及涵洞顶部不同填土高度建立路基模型，对原工程设计方案涵洞顶部差异沉降进行分析。此外，原工程方案中格栅铺设密度为每4m一层根据上面的计算结果，格栅铺设密度为4m一层时，路基顶面差异沉降只能减小10%左右，因此，原工程方案中采用的格栅铺设密度偏大，格栅处理差异沉降效果有限。#p#分页标题#e#
（4）改进方案差异沉降。由于原工程方案不能有效降低涵洞顶部差异沉降量，需要对原方案进行调整，以充分发挥土工格栅的性能。根据分析结果，涵洞两侧设置土工格栅的效果并不明显，可以将其取消，在涵洞顶部铺设土工格栅，延伸到强夯区，使格栅两端固定于沉降较小的区域，对于格栅中部的非强夯区土体沉降起到限制作用，同时减小格栅铺设间距，涵洞顶部格栅铺设间距分别为0.8m、1.5m、2.0m。
4土工格栅处治涵洞处差异沉降作用分析
(1)土工格栅铺设层位对于减小差异沉降的作用。为了研究土工格栅铺设位置对于减小路基差异沉降的作用，模型中选取6cm，9cm，12cm三种差异沉降进行分析，假设差异沉降产生的原因是地基刚度的突变(如填挖交界处、桥涵等结构物所在处)，将土工格栅设置于路基不同层位，分别计算其对于减小路基差异沉降的作用。
(2)不同土工格栅密度对于减小差异沉降的作用。为了研究土工格栅铺设密度对于减小路基差异沉降的作用，模型中选取6cm，8cm，12cm三种差异沉降进行分析，假设差异沉降产生的原因是地基刚度的突变(如填挖交界处、桥涵等结构物所在处)，改变土工格栅铺设密度，分别计算其对于减小路基差异沉降的作用。
总之，经过上述计算分析，采用原工程方案，涵洞顶部差异沉降比原地形、地质条件下差异沉降减小10%～20%;采用改进的格栅处理方案后，涵洞顶部差异沉降比原地形、地质条件下差异沉降减小30%～40%，对于涵洞顶部填土高度大于15m的路基，通过格栅处理后，差异沉降显著降低。因此，土工格栅加筋处理高填方涵洞差异沉降效果良好。
参考文献：
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[2]张子培.强夯法在高速公路填石路堤工程中的应用.公路交通科技，2006，23(7).
[3]龚晓南. 高等级公路地基处理设计指南.北京：人民交通出版社，2005.