黃土地區(qū)高填方路基沉降處置措施

梁 晨,余美嫻,李金格,劉麗萍,梁 軍

（1.西安工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院,陜西 西安 710021；2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710075）

王麗麗[1]在對高填方路基的研究當(dāng)中分析和總結(jié)了高填方路基的危害性沉降帶來的工程影響；田輝、文祥云[2]等人通過進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測分析高填路基易出現(xiàn)的問題；鄭建國、曹杰[3-4]等人采用離心試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯S土高填路基進(jìn)行分析,認(rèn)為施工進(jìn)度、填方高度、溝壑形狀、填筑時間等因素對填筑體的沉降具有明顯的影響因素；董琪、段旭[5]等人對已有工程進(jìn)行檢測,認(rèn)為黃土溝壑的不同位置對于高填路基的工后沉降的組成不同；曹杰、鄭建國[3-4]等人采用離心試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯Σ煌瑴羡值倪吔鐥l件對高填路基的影響進(jìn)行研究,分析“剛性”和“柔性”邊界的影響。

1 高填方路基沉降特性

在土的壓縮系數(shù)公式中=e/p,可以看出土的壓縮性主要取決于孔隙率以及受壓的情況,也就說明在高填路基中,不同的施工情況（如壓實(shí)度、含水量等）、土質(zhì)、填土高度都對高填路基的總沉降量具有重要影響[6-7]。以下從3 個方面對高填方路基的特征進(jìn)行描述。

（1）工程施工進(jìn)度

高填方路基的填筑體沉降主要為施工過程中的分層密實(shí)沉降,而施工后沉降量在總沉降量中占比較小。從橫向上來說,路基較長,不同區(qū)域的路基受到外界的擾動也不盡相同,在遇到高填方路線較長的情況下,一般情況下采取分層填筑的時候不能橫向上一次性完成,橫向搭接的時候可能會對沉降造成影響；從縱向上來說,由于填筑體高度較大,所以應(yīng)當(dāng)采取分層鋪筑,還要注重縱向上的分層搭接。（2）施工質(zhì)量

高填方路基往往填方工程量較大,需要大量的填筑材料在較大的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行填筑。剛進(jìn)行填筑時往往需要采用分層的填筑方式,所以對工程施工質(zhì)量有嚴(yán)格的要求,要嚴(yán)格控制施工質(zhì)量。

（3）填筑體高度大

高填路基的填方高度較大,因此填筑體的自重較大,不僅對原土層具有影響,還對自身的穩(wěn)定性也有要求,尤其是在邊坡的穩(wěn)定性方面。

（4）環(huán)境擾動

填方工程的基本物質(zhì)條件就是填筑材料,在高填路基中,需要用到大量的填筑材料,材料的獲取往往會對當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境造成影響,同時填筑的時候也會對填筑地區(qū)的環(huán)境造成影響[8]。

2 黃土地區(qū)高填方路基

2.1 溝壑形狀對高填方路基的影響特征

（1）一般情況下,溝壑呈現(xiàn)出上寬下窄的特征,因此在進(jìn)行高填方路基的填筑的時候,會呈現(xiàn)出兩邊距原始坡面距離近、中間距原始坡面距離遠(yuǎn)的填筑特點(diǎn),因?yàn)楦咛罘铰坊两盗亢吞钪疃瘸示€性關(guān)系,所以在溝壑中進(jìn)行填筑的時候,填筑體兩邊的沉降量相對于中間的沉降量小,這個沉降量包括填筑體的沉降量還包括原始土體的沉降量。

（2）“V”形溝和“U”形溝。在進(jìn)行地形研究的時候,可以把黃土地區(qū)的溝壑劃分為“V”形和“U”形兩種形式?！癡”形溝的溝壑坡面相對平緩,溝壑較為狹窄；“U”形溝的溝壑坡面相對陡峭,溝壑較為寬闊。這兩種溝形對于高填方路基具有以下特性：

a.由于“U”形溝相對于“V”形溝來說,其約束較小,因此沉降量較大。

b. “V”形溝和“U”形溝所呈現(xiàn)出來的沉降階段特點(diǎn)不同?！癡”形溝施工階段沉降量相對較小,但是施工后沉降量較大；“V”形溝施工階段沉降量相對較大,但是施工后沉降量較小。

c.由于兩種溝形的形態(tài)特征不一樣,所以雖然“U”形溝的沉降量相對較大,但是沉降率和“V”形溝的沉降率很接近。

2.2 溝壑邊界效應(yīng)對于高填方路基的影響特征

針對“V”形溝,根據(jù)不同地理位置的地質(zhì)特征,可以將邊溝的邊界條件分為“柔性”和“剛性”邊界條件。

（1）由于邊界的約束條件不一樣,所以在施工階段,“柔性”邊界條件下的高填方路基的沉降量比“剛性”邊界條件大；在施工后沉降階段,“柔性”邊界條件下的高填方路基的沉降量比“剛性”邊界條件大。

（2）“V”形溝中,“柔性”邊界條件下的高填方路基的沉降矢量要比“剛性”邊界條件下的沉降矢量更為顯著,主要原因是“柔性”邊界條件的原始土體的施工后沉降量大。

（3）在遇到雨水或者地下水等水流作用下,“剛性”邊界條件比“柔性”邊界條件下的沉降量較小。

（4）在施工階段,由于“柔性”邊界的滲透性更好,所以在進(jìn)行分層壓實(shí)時,“剛性”邊界條件比“柔性”邊界條件下的壓實(shí)度較小。

3 高填方路基沉降處置措施

高填方路基研究的主要目標(biāo)之一就是控制其沉降量及處置措施。高填方路基如果發(fā)生比較嚴(yán)重的整體沉降或者不均勻沉降時,很可能導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)、路基結(jié)構(gòu)以及道路附屬設(shè)施的損壞,對道路壽命以及形式安全造成影響,甚至?xí)?dǎo)致道路的損毀,無法正常運(yùn)行,所以必須采取措施來減少和避免高填方路基的破壞性沉降。

（1）分層填筑。高填方路基的填土厚度基本都在20 m以上,如果采取一次性填筑的方式,在施工階段的壓實(shí)措施就只能提高填筑體表層一定范圍內(nèi)的壓實(shí)度和密實(shí)度,而表層以下土體可能會發(fā)生不均勻沉降。如果采取一次性填筑,其施工后自然沉降量較大且持續(xù)時間較長,對道路運(yùn)行造成不良影響。

（2）合理制定工期計(jì)劃。由于高填方路基工程量大,持續(xù)時間長,所以填筑難度較大,為此要合理安排施工進(jìn)度,施工人員、機(jī)械和材料的運(yùn)送配備要合理, 以保證在工程項(xiàng)目在工期內(nèi)完成。

（3）基底處理。高填方路基的沉降量不僅有填筑體的沉降還包括了原始土層（基礎(chǔ)）的沉降,因此在控制沉降量的時候還要考慮到原始土層沉降量的控制,為此可以采取清表、換填、夯實(shí)、長螺旋鉆孔灌注樁,碎石墊層及土工格柵鋪設(shè)等方法。

（4）錯臺搭接。在進(jìn)行分層填筑的時候,要考慮到高填方路基的整體性,所以進(jìn)行錯臺搭接,以此來保證整體性,減少不均勻沉降。

（5）邊坡防護(hù)。邊坡在道路工程中非常的常見,同時也對道路的正常使用具有重要作用,而高填方路基的邊坡要比一般填方路基的邊坡要高許多,所以應(yīng)當(dāng)注重高邊坡的防護(hù),提高邊坡穩(wěn)定性。

（6）填筑體材料的選擇。通過壓縮系數(shù)=e/p,可以發(fā)現(xiàn)不同的土質(zhì)的壓縮系數(shù)不同,除了在保證合理的施工工藝處置外,還應(yīng)當(dāng)注重填筑體材料的選擇。

（7）填筑體材料加固?？梢赃\(yùn)用土體加固膠結(jié)技術(shù)、注漿加固、灌注樁、土工格柵等方法提高填筑體的自身強(qiáng)度,同時還可以采取預(yù)壓等方法增加施工期荷載,減少高填方路基沉降。

（8）排水防水。水的作用對高填方路基沉降的影響較大,尤其是在例如黃土等特殊土地區(qū),為了避免和減少沉降,應(yīng)該在設(shè)計(jì)和施工時,注重工程當(dāng)中的排水防水措施,減少水的影響。

（9）監(jiān)測。針對于高填方路基,可以在竣工后進(jìn)行一段時間的沉降監(jiān)測,減少異常沉降發(fā)現(xiàn)不及時帶來的危害[8]。

4 工程實(shí)例

依托黃土地區(qū)某地新建高速公路項(xiàng)目,選擇該項(xiàng)目中K15+895 斷面高填方路基設(shè)計(jì)圖進(jìn)行仿真模擬,該斷面采用臺階搭接,臺階寬2 m,以此研究分層填筑對高填方路基頂面的沉降變形影響。為了方便模型運(yùn)算,將地基土設(shè)為同一種土體,路基土為夯實(shí)黃土。參照已有論文和依托工程選取土體材料參數(shù),見表1。

表1 土體參數(shù)

在進(jìn)行模擬時,為了凸顯分層填筑的施工過程,因此在ABAQUS里面使用生死單元技術(shù),并對每一土層施加重力。通過仿真模擬可以得到豎向沉降云圖,見圖1。從云圖中可以看到：采用分層填筑時整個路的最大沉降值為12.25 cm,不采用分層填筑時最大沉降值為11.32 cm,兩種情況沉降值相近。

圖1 兩種工況下的路基沉降變形圖

圖2是路基頂面沉降折線圖,從圖中可以看出：若不采用分層填筑時,路基頂面沉降整體較小,但是沉降最大值為6.67 cm；采用分層填筑時,最大沉降僅為5.74 cm,且沉降變形較為平穩(wěn),路基頂面外側(cè)與內(nèi)側(cè)的差異沉降較小,有利于控制發(fā)生在路面反射裂縫。從沉降變化趨勢可以看出,采用分層填筑有利于控制路基沉降及差異性沉降,并有利于道路的后期運(yùn)營。

圖3 是路基頂面剪應(yīng)力變化折線圖,從圖中可以看出：不采用分層填筑時,路基頂面的剪應(yīng)力值較大,且變化較為劇烈,最大應(yīng)力值可達(dá)21.12 kPa；與其相對的是采用分層填筑的路基頂面剪應(yīng)力,其值最大值為10.14 kPa,且最大剪應(yīng)力位置位于基巖與路基交界面。而不采用分層填筑的時候,剪應(yīng)力最大的值位于路基外側(cè),路基外側(cè)承受較大應(yīng)力,不利于后期路基運(yùn)營,此時應(yīng)注意路基頂面的夯實(shí)處理。從圖3還可以發(fā)現(xiàn),兩種情況在臺階范圍內(nèi)剪應(yīng)力變化相似,主要受到基巖搭接作用,這種情況同樣可以從圖2 中發(fā)現(xiàn)。

綜上可以得出：采用分層填筑時最大沉降位于路基中下部,而不采用分層填筑時最大沉降位移存在于路基中部；結(jié)合路基頂面沉降和剪應(yīng)力變化趨勢可以得出:采用分層填筑將有利于控制路基頂面最大沉降以及差異性沉降,同時可以減小路基頂面剪應(yīng)力,有利于路基的后期運(yùn)營,同時通過圖1、圖2 變化趨勢可以得到：路基外側(cè)受到的沉降變化和剪應(yīng)力變化較為劇烈,因此應(yīng)當(dāng)注意路基外側(cè)的施工處理,防止出現(xiàn)路面較大的反射裂縫。

5 結(jié)論和展望

通過上述的分析和研究,可以得到以下結(jié)論：

（1）在黃土地區(qū)的高填方路基的沉降主要集中在填筑體和原始土層基礎(chǔ)的沉降上,其不僅發(fā)生在填筑施工階段,還發(fā)生在工后階段,易受到外界環(huán)境的影響（如水流、氣候、行車動荷載等）,例如雨水和地下水等水流影響、溝壑形態(tài)的影響、邊界條件的影響、填筑材料和基礎(chǔ)土體的影響。

（2）針對高填方路基的沉降可以采取施工工藝和工程設(shè)計(jì)方面的措施進(jìn)行防治,如填筑工藝選取、原始土層基礎(chǔ)處理、填筑材料加固等方面,針對于高填方路基還應(yīng)當(dāng)考慮其對環(huán)境的影響。

（3）在進(jìn)行高填方路基和其沉降處置的方面,應(yīng)該提高施工工藝以及新型材料的研究；同時應(yīng)當(dāng)注重在發(fā)生自然災(zāi)害后（如地震等）,高填方路基的損傷探測和預(yù)測技術(shù)發(fā)展；以及綠色材料在高填方路基中的應(yīng)用。