黃土高填方路基工后沉降對比分析

馬 淵，慶 磊

（1.中國市政工程西北設計研究院，甘肅 蘭州730000；2.甘肅臨洮經(jīng)濟開發(fā)區(qū)管理委員會，甘肅 臨洮730500）

黃土高填方路基工后沉降對比分析

馬 淵1，慶 磊2

（1.中國市政工程西北設計研究院，甘肅 蘭州730000；2.甘肅臨洮經(jīng)濟開發(fā)區(qū)管理委員會，甘肅 臨洮730500）

對于西北地區(qū)黃土高填方路基經(jīng)常出現(xiàn)的工后沉降病害，通過實際工程，采用修正劍橋模型進行仿真分析，得出沉降數(shù)值結果，并總結沉降規(guī)律。分析結果與經(jīng)驗公式符合較好，沉降規(guī)律與類似工程的原位測試結果一致，從而為黃土地區(qū)高填方路基的工后沉降量的設計施工提供一種分析思路。

沉降分析；修正劍橋模型；黃土；特殊路基；高邊坡

0　引言

濕陷性黃土作為第四紀沉積物的一種，廣泛分布于我國西北地區(qū)。構成黃土空間結構體系的支柱是骨架顆粒，骨架間存在著如大孔隙、架空孔隙、粒間孔隙等各種各樣的孔隙。西北地區(qū)的黃土骨架顆粒以粒狀為主，其顆粒大小介于粘土與細砂之間，呈淺黃色或黃褐色，主要是具有多孔、孔隙比較大等物理特點，是一種典型的非飽和性土。這些物理特點決定了黃土具有高壓縮性、濕陷性等力學特性。作為一種疏松的、遇水易發(fā)生濕陷和易被水流沖刷的土壤，濕陷性黃土在干燥時可以保持近乎垂直的節(jié)理，但一旦遇水，則會瞬間失穩(wěn)。這種土壤作為道路高填方段的路基時，病害集中體現(xiàn)在路基的變形和邊坡的穩(wěn)定兩方面。

在西北地區(qū)，黃土填方路堤沉陷變形比較普遍。這是由該地區(qū)黃土大部分是松散顆粒體的構造決定的。路基的變形從施工開始，一直持續(xù)到建成運營后若干年。2000年，根據(jù)長安大學辛平對甘肅境內263處高填方路基的調查結果顯示[1]，其中有病害的高填方路段127處，病害率為48.3%，主要的病害表現(xiàn)是路基穩(wěn)定性表現(xiàn)欠佳，路基失穩(wěn)、不均勻沉陷現(xiàn)象普遍存在。所以在該地區(qū)的黃土路基工程設計應特別注意路基變形方面的分析與設計。本文以實際工程為例，初步探討濕陷性黃土高填方路基的沉降變形規(guī)律及設計方法。

1　沉降機理分析

從沉降的機理上看，地基沉降分為瞬時沉降、固結沉降和次固結沉降三種。瞬時沉降是受力土體受荷后立即發(fā)生。固結沉降主要是土體受荷后產(chǎn)生的附加應力，使土體的孔隙減小而產(chǎn)生的沉降，通常這是地基沉降的主要部分。次固結沉降是在外部荷載作用下，經(jīng)歷長時間，隨著孔隙水壓的消散，土體骨架緩慢蠕變產(chǎn)生的沉降。這三種沉降是交錯混合發(fā)生，是某一時間以一種沉降變形為主、其他兩種為輔，并不是按照某種順序先后發(fā)生[2]。

從沉降發(fā)生的部位來看，道路路基的沉降主要由兩部分組成，包括地基土的沉降和路堤填土本身的沉降。對于填土高度不大的路段來說，主要以地基的沉降為主；對于高填方路堤來說路堤自身的沉降是占總沉降的相當大的比例。由于未經(jīng)處理的地基土是原狀土，壓實度不一定有路堤填土的壓實度高，同時路堤對于地基來說是外部荷載，會引起地基的變形，故荷載越大、地基變形越大；甚至在承載力超過地基土時，地基土會因為強度不夠而發(fā)生破壞。

從時間范疇上看，將道路的沉降可劃分為施工期沉降和工后沉降兩部分。施工期沉降就是各層填土在施工期間產(chǎn)生的沉降總和，這部分沉降是在填土施工荷載施加完成時同時完成的；工后沉降是在填土完成后，路堤在填土的自重荷載和車輛外荷載的作用下，較長時間內蠕變產(chǎn)生的沉降總和，這部分沉降的完成時在一定的時間段內逐步發(fā)生。對于施工期沉降，由于路基是分層壓實施工的，填土壓縮沉降速度很快，這部分沉降可以通過超填來達到設計標高，所以施工期的沉降并不會影響道路的正常運營。而工后沉降因為沉降時間長，且出現(xiàn)在運營期間，沉降過大直接導致路基變形、路面破壞、行車不平順等現(xiàn)象，直接影響交通性能，所以這部分沉降量也是我們重點關注的方面。

在《公路路基設計規(guī)范》中規(guī)定：“對于高度大于20 m的路堤，應按工后沉降量預留路基頂面加寬值；工后沉降量可按路堤高度的0.7%～1.5%估算[3]。”在公路設計手冊《路基》（第二冊）中指出：“黃土高路堤的工后下沉量與填土高度有直接關系。根據(jù)鐵路、公路的少量觀測資料，對壓實較好的高路堤，可按填土高度的1%～2%估計[4]?！辫F道科學院西北所與鐵一院經(jīng)過大量的觀測研究，在實測數(shù)據(jù)基礎之上，總結出了回歸公式,對黃土高路堤的工后沉降可按下式估算：

式中:S后為竣工后的沉降量，m；H為黃土路堤高度，m。

以上的幾種算法都是在大量調查與實驗的基礎上回歸得出的，具有很強的經(jīng)驗性，但是規(guī)范與手冊中的估值范圍較大，只能做大概定性的控制，而在實際的設計工作中往往根據(jù)斷面形式的不同，需要較為精確的數(shù)據(jù)為施工提供依據(jù)。本文嘗試使用有限元仿真分析的方法來計算確定最終沉降量。

2　工程實例分析

擬建凱風西道工程，道路全長8.29 km，道路總寬30 m，為甘肅省臨洮縣中鋪工業(yè)園區(qū)內的一條南北走向的主干道。該道路位于中鋪鎮(zhèn)內、位于蘭臨高速西側約500 m處（故蘭臨高速部分工程經(jīng)驗可供借鑒）。在樁號K4+980-K5+840段由于地形變化，此處設計為高填方路段，填方高度最高可達21 m。該路段地層主要由黃土狀粉土組成，其中黃土層為沖洪積、坡?lián)舳?，土質均勻，層厚平均7 m；勘察期間未見地下水；場地屬于Ⅳ級自重濕陷性場地。

使用平面有限元軟件midas soilworks對該斷面進行沉降固結分析，分析時間范疇涵蓋施工期與運營期，考慮填土施工時間共20 d，運營期為10 a。土體的本構模擬選用修正劍橋模型[5]，與本構模型相關的土體參數(shù)選取見表1所列。

表1　模型土體參數(shù)取值表

模擬計算時，考慮分層填土的影響，采用逐級填土、逐級加荷的模擬方式。在運營期考慮車輛荷載，按照規(guī)范規(guī)定的車輛軸重和橫向布置方式加載。

根據(jù)表1所選取的計算參數(shù)，對凱風西道K5+480處的路堤斷面進行仿真計算。因為本文重點討論路堤工后沉降，所以只列出運營階段計算結果，其他階段僅參與計算，但結果不贅述。計算模型及結果如圖1～圖3所示。

圖1　沉降計算模型

圖2　運營期平均有效應力圖示

圖3　運營期沉降量圖示

仿真計算結果圖示直觀地顯示了運營期間的沉降規(guī)律及沉降量。

3　計算結果對比

按《公路路基設計規(guī)范》中提出的方法估算，工后沉降量為填土高度的0.7%～1.5%，也就是說工后沉降應該為14.7 cm～31.5 cm之間。

按公路設計手冊《路基》（第二冊）中提出的方法估算，工后沉降量是填土高度的1%～2%之間，即為21 cm～42 cm之間。

按照鐵科院與鐵一院的經(jīng)驗公式計算，工后的沉降量應為20.56 cm。

將有限元模擬結果與幾種經(jīng)驗公式計算結果進行對比，發(fā)現(xiàn)計算結果與《公路路基設計規(guī)范》的估算方法吻合較好，比《路基》手冊和鐵路公式的計算結果較小。

4　結果分析及規(guī)律總結

在路堤的高度方向上，自上而下沉降量逐漸減小。在填土區(qū)域沉降量沿高度變化不大，路堤頂面沉降15.8 cm，在路堤底與地基交接處沉降量為14.47 cm；從路基頂面向下，沉降變化較快，沉降量逐漸向0靠攏。這是因為，填土部分的固結沉降大部分在施工期間已經(jīng)完成，所以在運營期間填土部分實際的沉降只有約1.33 cm。

在路基的寬度方向上，路基表面沉降曲線呈明顯的拋物線狀，即路中至路邊，沉降量逐漸減小，路中沉降量最大為14.47 cm。明顯的，橫向固結沉降與填土高度關系密切，即有效填土高度越高，則該處地基沉降越大。這是因為填土越高，該處豎向荷載越大、沉降越大。

以上總結的規(guī)律，與長安大學在2004年對蘭臨高速的高填方路段的原位沉降觀測得出的沉降規(guī)律吻合度極高。

5　結　語

（1）通過對黃土高填方路堤沉降的研究，總結橫斷面的工后沉降量規(guī)律是路中大、兩邊小。該規(guī)律與蘭臨高速相關實驗結果一致。

（2）通過與幾種經(jīng)驗公式計算結果對比，有限元分析結果與經(jīng)驗公式結果基本吻合。

（3）以往預留沉降都是等厚度預留，經(jīng)常會出現(xiàn)中間沉降大導致的路拱消失或者路中凹陷。在設計及施工中，應該按照沉降規(guī)律及沉降量來預留道路的工后沉降，具體方式是在橫斷面方向按中間高兩邊低的拋物線曲線布置，即路中預留稍厚，路邊稍薄，具體厚度可通過對仿真模型結果得出。

（4）該工程在勘察時未見地下水，故建模時并沒有考慮水位影響。如在實際工程中水位較高或需考慮水的影響時，則需要對固結與滲流做耦合模擬分析。

[1]辛平.黃土填方路堤穩(wěn)定性研究[D].西安：長安大學,2000.

[2]張俊.高填方黃土路堤沉降規(guī)律研究[D].西安：長安大學,2004.

[3]JTG D30-2004，公路路基設計規(guī)范[S].

[4]交通部第二公路勘察設計院.公路設計手冊—路基（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2001.

[5]鄧國華,邵生俊,佘芳濤.結構性黃土的修正劍橋模型[J].巖土工程學報,2012,(5).

U416.03

A

1009-7716（2016）03-0147-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.043

2015-11-30

馬淵（1984-），男，甘肅蘭州人，工程師，從事路橋工程設計工作。