高填方公路路基沉降以及防治措施探究

武魁

（中交一公局廈門(mén)工程有限公司，福建廈門(mén) 361000）

1 引言

隨著公路工程的快速發(fā)展，高填方公路路基建設(shè)規(guī)模也越來(lái)越大。路基的沉降速率及沉降量是評(píng)價(jià)公路工程建設(shè)質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一。但高填方公路路基的設(shè)計(jì)復(fù)雜、施工難度高，如果不清楚其沉降變形機(jī)理和影響因素，可能無(wú)法確定合理、經(jīng)濟(jì)的防治方案，從而導(dǎo)致路面裂縫、邊坡失穩(wěn)、路基沉降等，嚴(yán)重影響了行車(chē)安全。相關(guān)學(xué)者也針對(duì)公路路基沉降展開(kāi)了一系列研究，如王魯川[1]以銅合高速公路為研究對(duì)象，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，得到高填方路基工后沉降曲線(xiàn)，并利用雙曲線(xiàn)法預(yù)測(cè)出其最終沉降量，準(zhǔn)確地評(píng)估了路基的長(zhǎng)期穩(wěn)定性；楊錦鳳[2]利用FLAC 3D 軟件分別探討邊坡高度、路側(cè)積水、增強(qiáng)補(bǔ)壓措施等因素對(duì)路基沉降量的影響，并提出將布設(shè)土工格柵、增強(qiáng)補(bǔ)壓、完善排水系統(tǒng)等措施應(yīng)用于路基沉降處理中，以降低路基工后沉降概率。故研究高填方公路路基沉降原因以及防治措施具有十分重要的工程意義。

2 高填方公路路基沉降主要原因

高填方公路路基設(shè)計(jì)、施工等難度大，必須充分重視其沉降原因。高填方路基沉降原因主要包括以下4 個(gè)方面：第一，填料質(zhì)量不合格。路基填料性能不符合規(guī)范要求會(huì)影響路基整體壓縮性，甚至破壞路基穩(wěn)定性。第二，填筑工藝不科學(xué)。高填方公路路基填筑壓實(shí)工藝是影響路基沉降的關(guān)鍵因素，填筑前必須在填筑試驗(yàn)段得到合理的施工參數(shù)，避免路基壓實(shí)度不足導(dǎo)致大面積沉降。第三，動(dòng)荷載干擾。高填公路路基在施工期間，會(huì)受到各種施工機(jī)械荷載作用，影響路基結(jié)構(gòu)。第四，勘察設(shè)計(jì)不合理。這是影響高填方公路路基沉降的決定性因素，如果設(shè)計(jì)單位在開(kāi)展填筑方案設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析之前，沒(méi)有勘察清楚路基范圍內(nèi)地質(zhì)水文情況（尤其是遇到軟土、鹽漬土、膨脹土等特殊地質(zhì)），難以確定合理的施工方案，則出現(xiàn)路基沉降也不可避免。

3 高填方公路路基沉降計(jì)算模型

高填方公路路基沉降等于地基沉降與路基自身壓縮之和，其中，地基沉降可利用“分層總和法”來(lái)計(jì)算，但路基填土自身壓縮變形的計(jì)算方法目前并不成熟。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)步，有限元法在高填方公路路基沉降中的應(yīng)用日益廣泛[3]。本文采用有限元軟件ANSYS 15.0 建立計(jì)算模型，研究了填土高度、壓實(shí)度對(duì)高填方公路路基沉降變形的影響。

3.1 工程概況

研究對(duì)象是白沙快速出口路高速公路高填方公路路基，路基整體寬度是26 m，邊坡最大高度是24 m。路基填土采用土石混合料，分3 級(jí)填筑，每級(jí)填土高度是8 m。為了更好地模擬施工過(guò)程，填土模擬高度分別取2 m、4 m、6 m、10 m、12 m、14 m、16 m、18 m、20 m、22 m、24 m，邊坡從上至下坡比分別為1∶1.5、1∶1.75、1∶2。同時(shí)，地基土寬度取200 m、地基土層分2層，分別為黏土層（20 m）和基巖（40 m）。高填方路基填土和地基土具體計(jì)算指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 路基填土和地基土計(jì)算指標(biāo)

3.2 計(jì)算模型建立

3.2.1 屈服準(zhǔn)則

有限元軟件ANSYS 15.0 分析高填方公路路基的理論是基于Druker-Prager 模型（D-P 模型），該模型在模擬路堤填土力學(xué)變形所需的參數(shù)容易測(cè)定，同時(shí)可以考慮填土的抗壓強(qiáng)度，還能夠彌補(bǔ)Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則導(dǎo)數(shù)在節(jié)點(diǎn)處不連續(xù)的問(wèn)題。D-P 準(zhǔn)則屈服時(shí)與破壞面的函數(shù)是：

式中，a、k 為屈服材料常數(shù)；I1為應(yīng)力張量的第一不變量；J2為偏應(yīng)力張量的第二不變量；σ1為第一主應(yīng)力；σ2為第二主應(yīng)力；σ3為第三主應(yīng)力。

3.2.2 邊界條件

利用有限元軟件ANSYS 15.0 軟件建立模型后，應(yīng)選擇二維實(shí)體單位PLANE42（三角形六結(jié)點(diǎn)）進(jìn)行網(wǎng)格劃分。由相關(guān)研究成果可知，網(wǎng)格尺寸對(duì)模型計(jì)算結(jié)果和計(jì)算效率影響較大。在綜合考慮高填方公路路基沉降精確度和計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度的前提下，網(wǎng)格尺寸選1.5 m，共劃分出單元3 824 個(gè)，節(jié)點(diǎn)2 435 個(gè)。

3.2.3 網(wǎng)格劃分

高填方路基模型底部在X 方向、Y 方向、Z 方向上進(jìn)行完全約束，路基頂部和邊坡坡面屬于自由邊界條件。地基進(jìn)行水平約束，只產(chǎn)生豎向壓縮變形。

4 高填方公路路基沉降影響因素分析

在確定計(jì)算參數(shù)、建模、劃分網(wǎng)格、設(shè)置邊界條件等完成之后，對(duì)高填方公路路基沉降開(kāi)展計(jì)算，得出不同填土高度和壓實(shí)度下地基沉降、路基填土沉降和總變形。

不同填土高度下高填方公路路基沉降如圖1 所示。

圖1 不同填土高度下路基沉降結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，隨著公路路基填土高度增加，路基本身沉降和地基沉降均呈增加趨勢(shì)，同時(shí)，地基沉降基本占高填方路基總變形75%以上。路基填土沉降增加速率先慢后快，當(dāng)路基填土高度小于6 m，路堤本身沉降增加速率較慢；當(dāng)路基填土高度大于14 m，路基填土沉降迅速增加。地基沉降增加速率先快后慢，當(dāng)路基填土高度小于18m，地基沉降增加速率快，和填土高度基本呈線(xiàn)性正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)路基填土高度大于18 m，地基沉降增加幅度不明顯。主要原因：高填方路基沉降受上覆荷載影響較大，填土高度越高，自重荷載越大，使得路基填土沉降量和地基沉降量不斷增加。

JTG D30—2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》要求高填方公路路基壓實(shí)度不得小于90%，故填土模擬壓實(shí)度分別取90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%，不同壓實(shí)度下路基沉降如圖2 所示。

圖2 不同壓實(shí)度下路基沉降結(jié)果

由圖2 可知，路基的最大沉降隨壓實(shí)度的提高而不斷降低，當(dāng)高填方路基施工壓實(shí)度從90%提高到98%，路基最大沉降從8.2 cm 減小至3.2 cm，減少了60.97%。這是因?yàn)楣仿坊钔翂簩?shí)度提高，填料抗剪強(qiáng)度和壓縮模量會(huì)增加，并降低路基的可壓縮性，提高其整體穩(wěn)定性，使得路基沉降減小。

5 高填方公路路基沉降防治措施

高填方公路路基沉降處治不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)破壞、路面開(kāi)裂等病害，會(huì)對(duì)路面使用性能、通行能力等產(chǎn)生直接的影響。論文結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)學(xué)者的研究成果，總結(jié)了高填方公路路基沉降常用的預(yù)防和治理措施。

5.1 高填方公路路基沉降預(yù)防措施

高填方路基沉降預(yù)防措施可分設(shè)計(jì)階段和施工階段制定。在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)加強(qiáng)野外勘察，充分收集公路沿線(xiàn)地質(zhì)資料，盡可能地避免高填方路堤。如果高填方路基處在填挖交界處或縱坡較大路段，可通過(guò)開(kāi)挖臺(tái)階來(lái)提高路基的整體穩(wěn)定性，減小路基沉降。在施工階段，應(yīng)針對(duì)高填方路基制訂專(zhuān)項(xiàng)施工方案，施工前路基給兩側(cè)排水，并把原地面垃圾、樹(shù)根等雜物清理干凈。路基施工時(shí)填料要分層攤鋪、分層碾壓，確保填料達(dá)到最佳壓實(shí)度，并在路基填筑完成后對(duì)其壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)，如不滿(mǎn)足規(guī)范要求，及時(shí)整改。

5.2 高填方公路路基沉降治理措施

高填方路基沉降常見(jiàn)的治理措施有布設(shè)土工格柵和灌漿法等。

布設(shè)土工格柵：使用切割機(jī)將裂縫兩側(cè)的瀝青路面對(duì)稱(chēng)切除一定區(qū)域，鋪筑土工格柵（用U 形鋼釘固定），然后再重鋪筑路面。適用于路面有縱向裂縫，但路基沉降變形已經(jīng)穩(wěn)定的情況。

灌漿法：先將路基沉降較大區(qū)域鉆孔，將漿液通過(guò)注漿管均勻注入路堤填料和地基層孔隙中，以提高路基強(qiáng)度和壓縮模型，減小壓縮變形。適用于高填公路方路基沉降變形大，邊坡破壞嚴(yán)重的情況。

6 結(jié)語(yǔ)

本文依托白沙快速出口路高速公路高填方公路路基，分析了路基沉降的影響因素，并提出了相應(yīng)的防治措施，主要得到以下3 個(gè)結(jié)論：（1）路基本身沉降和地基沉降會(huì)隨著路基填土高度的增加而增加，且地基沉降基本占高填方公路路基總沉降的75%以上；（2）高填方公路路基的最大沉降隨壓實(shí)度的提高而不斷減小，當(dāng)壓實(shí)度從90%提高到98%，路基最大沉降減少了60.97%；（3）高填方公路路基沉降預(yù)防措施可分設(shè)計(jì)階段和施工階段制定。高填方路基沉降常見(jiàn)的治理措施有布設(shè)土工格柵和灌漿法，前者適用于路面出現(xiàn)縱向裂縫，但路基沉降變形已經(jīng)穩(wěn)定的情況；后者適用于高填方公路路基沉降變形大，邊坡破壞嚴(yán)重的情況。