黃土地區(qū)高填方路堤沉降變形特征

王 瑋

（甘肅省建筑科學研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

1 概述

在黃土地區(qū)擬建高等級公路，需要進行大量的填方和挖方，也相應地出現(xiàn)了大量工程地質(zhì)問題。其中分布最廣泛，影響程度最大的是路基沉降變形。不同黃土類型具有不同的沉降變形特征，選擇具有代表性的黃土路基進行沉降變形監(jiān)測具有重要意義。

針對黃土填方路堤變形特征，國內(nèi)開展了大量的研究。王鵬等[1]結(jié)合工程沉降監(jiān)測試驗，利用Logistic-雙曲線組合預測模型對黃土高填方的沉降進行了預測研究；巨玉文等[2]提出了填方路堤施工結(jié)束后沉降與時間的關系式；高岳權(quán)[3]研究了黃土高填方路堤的變形機理并提出了相應的控制措施；吳文彪等[4]研究了含水率變化下壓實黃土路堤的穩(wěn)定性以及其防治措施；薛凱元等[5]研究了地形地貌特征對黃土高填方路堤沉降變形的影響；趙麗芳等[6]對高填方路堤開展了數(shù)值模擬研究；劉奉銀等[7]研究了非飽和土體的固結(jié)模式和路堤沉降變形特征。Kim等[8]通過室內(nèi)試驗針對不同性質(zhì)的黃土進行了研究，從基本物理力學性質(zhì)入手分析了引起黃土高填方路堤的變形機理；Han等[9]研究了黃土高填方路堤的動力特征；Zhang等[10]認為黃土路堤沉降變形是黃土蠕變的一種形式，通過蠕變實驗，建立了開爾文雙曲線模型，并應用于黃土高填方路堤的計算中。目前，關于黃土高填方路堤沉降變形的研究大多集中在沉降規(guī)律、機理與沉降預測上，受到各種條件限制，難以找到具有實際工程依托的沉降觀測，因此很多研究結(jié)果具有一定的局限性。

通過對不同類型黃土路堤進行觀測，構(gòu)建黃土地區(qū)公路路基長期性能觀測網(wǎng)絡，為設計施工提供基本參考數(shù)據(jù)，保障工程安全及公路長期穩(wěn)定性。基于此，選擇某高速公路黃土高填方路堤作為監(jiān)測對象，建立長期性能監(jiān)測站，通過觀測土壓力、土壤含水率以及路堤沉降量，對粉土、粉質(zhì)黏土的沉降進行長期觀測與評價，為后期公路養(yǎng)護提供依據(jù)，為類似工程開展提供借鑒。

2 監(jiān)測設備與方法

2.1 監(jiān)測設備

高填方路堤變形監(jiān)測采用自動監(jiān)測方法，可以實現(xiàn)實時遠程傳輸，達到全天候不間斷變形監(jiān)測的效果。本次監(jiān)測主要內(nèi)容包括：土體含水率、土體溫度、土壓力以及沉降，主要使用的設備材料有：土壓力盒、土壤水分傳感器、沉降計、12 V電池、測斜管、水箱、防凍液等。

2.2 監(jiān)測方法

傳感器布設首先依據(jù)勘察設計資料選擇具有代表性的斷面，結(jié)合施工進度制訂方案，依據(jù)方案在道路上選擇傳感器布設點位后，開挖坑槽用于埋設傳感器，隨后覆土回填。

土壓力盒及土壤水分計埋入坑槽中即可，剖面計需連接剖面計的管線，在預期監(jiān)測點位布設剖面計并固定，在剖面計出口端放置水箱（高于傳感器）并加入防凍液，待防凍液充滿整個管道。隨后將整體穿入測斜管中，其高差維持在±1 mm，固定后覆土回填，完成布設。

3 路堤變形結(jié)果與分析

監(jiān)測為期1年，選取某一典型斷面的土壤水分監(jiān)測結(jié)果、土壓力結(jié)果以及沉降監(jiān)測結(jié)果，并對監(jiān)測結(jié)果進行分析。

斷面按照填埋深度分為兩層，上層土體體積含水率監(jiān)測結(jié)果如圖1a所示。體積含水率為1.4%～1.8%，變化幅度極小，保持在0.1%以內(nèi)，在第1個月體積含水率有小幅增加，隨后半年內(nèi)逐漸降低，之后保持穩(wěn)定。路堤中部含水率較高，向兩側(cè)逐漸降低。下層土體體積含水率監(jiān)測結(jié)果如圖1b所示，下層變化幅度較大，為28%～42%，其整體變化趨勢與上層相同，先變大后變小，最后保持穩(wěn)定。路堤中部含水率較高，向兩側(cè)逐漸降低，在向路堤邊坡延伸方向上的體積含水率較高。上層水分補給主要通過降雨入滲，下層水分補給以毛細作用為主，所在地區(qū)降雨補給小，造成了下層含水率高于上層含水率的現(xiàn)象。由此說明，在該地區(qū)毛細作用較為強烈，在填筑路基時需要重點考慮地下水位和路基墊層防排水。

圖1 體積含水率變化

土壓力可以反映土體應力變化特征，斷面埋深不同，布設兩層土壓力盒，上層土壓力監(jiān)測結(jié)果如圖2a所示。土壓力整體呈現(xiàn)增大——穩(wěn)定的變化趨勢，在路堤填筑完成后的第一個月，土壓力發(fā)生明顯增大，此后土壓力變化趨于穩(wěn)定。上層測線的土壓力在0～0.1 MPa內(nèi)變化，最大變化幅度為0.05 MPa。道路中軸線附近土壓力較大，向兩側(cè)逐漸降低。其中7號土壓力盒最大，可能是由于該位置土體壓實程度較高。下層土壓力監(jiān)測結(jié)果如圖2b所示，土壓力整體呈現(xiàn)增大——穩(wěn)定——增大——穩(wěn)定的變化趨勢，在路堤填筑完成后的第一個月，土壓力發(fā)生明顯增大，此后土壓力變化趨于穩(wěn)定，半年后土壓力又發(fā)生了第二次增加，隨后進入穩(wěn)定階段。下層測線的土壓力在0.1～0.2 MPa內(nèi)變化，最大變化幅度為0.05 MPa。道路中軸線附近土壓力較大，向兩側(cè)逐漸降低。說明在土體壓實后的1個月內(nèi)會發(fā)生自重固結(jié)作用，固結(jié)時間較短，隨后土體保持相對穩(wěn)定狀態(tài)。在施工過程中，通過提高土體壓實度可以減少后期土體固結(jié)時間。

圖2 土壓力變化特征

在施工過程中，斷面的沉降受到工程影響，導致剖面計水箱位置發(fā)生變化，由此造成沉降結(jié)果變小。上層測線沉降量為0～25 mm，初始沉降量較大，路堤填筑完成后半年內(nèi)沉降量逐漸減小，半年后沉降趨于穩(wěn)定。如圖3a所示，發(fā)生明顯的不均勻沉降后，靠近路堤邊坡的區(qū)域沉降變化較大，但是隨著時間增加，該區(qū)域的沉降趨于穩(wěn)定所需時間較短，而靠近路塹邊坡的區(qū)域沉降變化幅度較小，但是一直在持續(xù)變化。整體來看，道路中部沉降最小，向兩側(cè)延伸逐漸增大。下層測線沉降量為15～60 mm，如圖3b所示，變化幅度在5 mm內(nèi)變化，初始發(fā)生急劇變化，從60 mm迅速降低，是由于在填筑階段壓實引起的沉降。在壓實完成的第1個月內(nèi)，沉降量逐漸增大，最大增幅為2.5 mm，在上覆土體荷載作用下發(fā)生小幅度變形，1個月后土體變形穩(wěn)定，沉降保持穩(wěn)定?？拷穳q邊坡沉降量較小，靠近路堤邊坡沉降量較大。

圖3 沉降變形結(jié)果

綜上可知，黃土路堤發(fā)生沉降的時間主要是施工期和施工結(jié)束后的第1個月內(nèi)，而越靠近臨空面，沉降量越大，為了減少沉降量，可以對路堤加寬，或?qū)εR空面進行防護。

4 討論

初始狀態(tài)下的沉降和最終測試的沉降，兩者的差值作為工期結(jié)束后1年的沉降，繪制兩個斷面變形云圖，通過云圖可觀測到路基沉降的變化規(guī)律。此外，影響沉降量的因素很多，依據(jù)監(jiān)測結(jié)果，建立土壓力與沉降量、含水率與沉降量的數(shù)學關系式。斷面的沉降變形云圖如圖4所示，從底部向上變形逐漸降低，等值線大體呈等密變化，局部區(qū)域出現(xiàn)突變，說明產(chǎn)生了不均勻沉降。

圖4 沉降變形云圖

土壓力與沉降量關系如圖5所示，監(jiān)測數(shù)據(jù)點基本呈現(xiàn)線性變化，即土壓力與沉降量呈線性相關，進行擬合得到二者之間的關系式：s=132.4σ+1.129（R2=0.53）。在監(jiān)測初期受到施工影響，土壓力不穩(wěn)定，隨著工期結(jié)束，土壓力與沉降的關系更加貼近線性。體積含水率與沉降量關系如圖6所示，含水率較低時擬合程度較低，隨著含水率增加，擬合程度也隨著增大，并且含水率越大，沉降量越大。兩者的關系式為：s=0.5156w+7.136（R2=0.57）。土體沉降量對低含水率的響應不明顯，而土壤含水率增大使得土體具有更強的壓縮性，因此會使得土體沉降量增大。

圖5 土壓力與沉降量關系

圖6 體積含水率與沉降量關系

5 結(jié)論

以黃土地區(qū)高填方路堤為研究對象，選取典型斷面，對其土壓力、含水率和沉降變形進行了為期一年的觀測，最終得到了路堤的變形情況，通過分析得到了以下結(jié)論：

（1）高填方路堤土壓力變化最大為0.05 MPa，在施工期結(jié)束后1個月內(nèi)變化最為顯著；含水率最大變化幅度為2%，最大沉降量為10 mm，發(fā)生在上層位置，整體路堤出現(xiàn)不均勻沉降，沉降量控制在2.5mm左右；

（2）黃土路堤發(fā)生沉降的時間主要是施工期和施工結(jié)束后的第1個月內(nèi)，而越靠近臨空面，沉降量越大，為了減少沉降量，可以對路堤加寬，或?qū)εR空面進行防護；

（3）含水率變化是造成黃土路堤發(fā)生沉降的控制因素，高填方黃土路堤中水分主要來自于降雨補給和地下水補給，遷移形式以自由入滲和毛細上升為主，其中毛細上升作用更為明顯。道路中心含水量較高，兩側(cè)水分含量低；

（4）土壓力變化是造成黃土路堤沉降的重要因素，土體在自重荷載下發(fā)生固結(jié)，使得土體孔隙減小，路堤沉降變形。道路中心處的土壓力較大，向兩側(cè)逐漸降低，在土體壓實后的一個月內(nèi)會發(fā)生自重固結(jié)作用，固結(jié)時間較短，隨后土體保持相對穩(wěn)定狀態(tài)。在施工過程中，通過提高土體壓實度可以減少后期土體固結(jié)時間。