高填方路基工后沉降預(yù)測(cè)與控制探討

肖 駿

（江西省交通工程集團(tuán)有限公司,江西 南昌 330000）

0 引言

隨著我國(guó)公路建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，高填方路堤大量涌現(xiàn)，高填方路堤沉降也隨之成為當(dāng)前高速公路建設(shè)過(guò)程中所面臨的難題之一。研究者在填方路基沉降理論、數(shù)值模擬等方面進(jìn)行了一些研究，也提出了相應(yīng)的路基沉降預(yù)測(cè)模型，但是高填方路基沉降影響因素多而復(fù)雜，尤其是山區(qū)高填方路基填料來(lái)源眾多，填料顆粒和級(jí)配很難完全滿足規(guī)范要求，無(wú)形中增大了山區(qū)高填方路基工后沉降預(yù)測(cè)難度。如果采用傳統(tǒng)沉降預(yù)測(cè)方法，必定要針對(duì)每種填料展開(kāi)大量試驗(yàn)，耗時(shí)耗力，試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性也難以保證。為此，必須在充分考慮各種復(fù)雜因素對(duì)路基工后沉降影響的基礎(chǔ)上，積極探索切實(shí)可行的工后沉降預(yù)測(cè)方法，保證預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，以便采取針對(duì)性強(qiáng)的控制措施，達(dá)到有效處治高填方路基工后沉降的目的。

1 工程概況

G312線鳳翔路口（陜甘界）至平?jīng)鰱|（曹灣村）段公路改建工程路線起于平?jīng)鍪袥艽h陜甘交界得鳳翔路口，途經(jīng)羅漢洞、涇川縣城、崇信縣城、花所鄉(xiāng)信河村、白水鎮(zhèn)大潘村，止于平?jīng)鰱|曹灣村，路線全長(zhǎng)103.879 km（含羅漢洞連接線1.691 km）。該項(xiàng)目是G312線甘肅段的重要組成部分，為新建路段，設(shè)計(jì)速度60 km/h，路基寬12 m。路基挖方192.15×104m3，路基填方104.6×104m3，特殊路基處理6.649 km，路基防護(hù)3.17×104m3，排水工程1.24×104m3，涵洞26道，大橋1 044 m/3座，小橋19 m/1座，隧道3 915 m/3座，新建隧道管理站1處，隧道變電所2處，隧道消防泵站1處，瀝青路面126 276 m2，線路全長(zhǎng)12.579 km。

該新建路段試驗(yàn)段以黏性土及卵礫石等成分的殘坡積地層為主，地層從上至下依次為：①7.2～13.6 m厚淺黃色黃土層，土質(zhì)均勻，干燥～稍濕，含砂量高，成分以可塑粉粒為主，屬于Ⅱ級(jí)濕陷性黃土；②4.5～5.1 m厚淺紅色黃土層，濕密均勻，含砂量高，硬塑；③2.0～4.8 m黃褐色卵石層，分選性不良，以變質(zhì)砂巖碎屑為主要骨架成分，卵石粒徑2～10 cm，充填少量土和細(xì)砂；④紫紅色泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)成巖性良好，且與鈣質(zhì)膠結(jié)，硬度不均勻。土層物理力學(xué)性質(zhì)詳見(jiàn)表1。

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)

2 沉降實(shí)測(cè)

以外界干擾少，對(duì)土質(zhì)要求低的JMDL-4720A智能型單點(diǎn)沉降計(jì)為試驗(yàn)設(shè)備，該儀器量程200 mm，此外還使用DSC測(cè)試系統(tǒng)軟件JMZX-2007-1、CMNET傳輸網(wǎng)模塊和JMBV-1116綜合采集模塊。在試驗(yàn)段選擇三種不同填筑方式斷面為典型斷面，依次于斷面路肩兩側(cè)、路基中點(diǎn)等表層土體中布設(shè)沉降數(shù)據(jù)采集線，并設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以長(zhǎng)期觀測(cè)該高填方路基工后沉降和穩(wěn)定性。根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，路基中點(diǎn)沉降明顯比路肩兩側(cè)大，出于公路工程安全運(yùn)行的角度考慮，將3個(gè)斷面路基中點(diǎn)沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和路堤填筑高度繪制成曲線，詳見(jiàn)圖1，其中，斷面1為路基清表后直接填筑的斷面；斷面2為CFG樁處理后的路堤斷面；斷面3為換填填筑后的路堤斷面。在每個(gè)斷面分別設(shè)置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，共設(shè)置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，依次標(biāo)號(hào)為 A1～A6。

圖1 典型斷面路基中間點(diǎn)沉降實(shí)測(cè)結(jié)果

3 沉降預(yù)測(cè)及分析

3.1 典型預(yù)測(cè)模型擬合

應(yīng)用時(shí)間對(duì)數(shù)法、指數(shù)法和泊松曲線法三種常用的典型預(yù)測(cè)擬合模型[1]進(jìn)行該高填方路基工后沉降預(yù)測(cè)，所構(gòu)建的模型詳見(jiàn)表2，根據(jù)表中內(nèi)容可以看出，對(duì)于對(duì)數(shù)法而言，除測(cè)點(diǎn)A6外，其余測(cè)點(diǎn)擬合曲線相關(guān)系數(shù)均在0.96以上，精度較高；對(duì)于泊松曲線法而言，擬合曲線相關(guān)系數(shù)均在0.95以上；而指數(shù)法擬合曲線相關(guān)系數(shù)均不超出0.6。對(duì)數(shù)法和泊松曲線法能較好擬合現(xiàn)有沉降曲線，且模擬精度高，故應(yīng)用這兩種模型進(jìn)行該高填方路基段工后沉降預(yù)測(cè)。

表2 工后沉降典型預(yù)測(cè)模型[2]

為進(jìn)行對(duì)數(shù)法和泊松曲線法對(duì)高填方路基工后沉降長(zhǎng)期預(yù)測(cè)效果的評(píng)價(jià)，分別采用兩種模型進(jìn)行6個(gè)月、8個(gè)月、12個(gè)月、24個(gè)月、36個(gè)月測(cè)點(diǎn)A1～A6路基沉降量的預(yù)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表3。由表中預(yù)測(cè)結(jié)果可知，工后6～36個(gè)月之間，對(duì)數(shù)法和泊松曲線法所預(yù)測(cè)結(jié)果明顯不同。例如A1測(cè)點(diǎn)，對(duì)數(shù)法所預(yù)測(cè)的其工后沉降會(huì)隨時(shí)間的推移而呈增大趨勢(shì)，12個(gè)月沉降量比工后6個(gè)月的沉降量增大18.5 mm，12～24個(gè)月之間沉降量增大18.3 mm，24～36個(gè)月間沉降量增大11.5 mm；泊松曲線法所預(yù)測(cè)的工后沉降則隨時(shí)間的推移而下降，工后6～12個(gè)月間沉降量減小12.6 mm，12～24個(gè)月間沉降量減小2.6 mm；路基在工后24個(gè)月基本接近穩(wěn)定狀態(tài)。

表3 工后沉降量長(zhǎng)期預(yù)測(cè)結(jié)果 /mm

根據(jù)類似工程路基沉降觀測(cè)結(jié)果，工后6個(gè)月內(nèi)的路基沉降在總沉降量中的占比約占80%左右，工后8～12個(gè)月趨于穩(wěn)定；沉降持續(xù)時(shí)間主要與填料和基礎(chǔ)情況等有關(guān)。根據(jù)以上預(yù)測(cè)結(jié)果，工后6個(gè)月時(shí)對(duì)數(shù)法和泊松曲線法下該公路路基已經(jīng)完成總沉降的60%和85%，這與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合；對(duì)數(shù)法下所預(yù)測(cè)的24個(gè)月后的沉降量明顯大于泊松曲線法，在不限定時(shí)間的情況下，對(duì)數(shù)法的沉降量預(yù)測(cè)結(jié)果將無(wú)法收斂，不符合實(shí)際；而泊松曲線法預(yù)測(cè)結(jié)果更加符合工后實(shí)際沉降。

3.2 FLAC3D沉降模擬

采用FLAC3D有限元差分法進(jìn)行以上三種工況下典型斷面工后沉降模擬，為保證模擬過(guò)程和結(jié)果更加貼近實(shí)際工程填土對(duì)沉降的影響，逐級(jí)增加荷載。模型構(gòu)建時(shí)，為體現(xiàn)填筑高度變化對(duì)土體應(yīng)變的影響，具體采用Mohr-Coulomb模型[3]。由于該新建路段路基尺寸大，有限元單元多，如果每完成一層填筑計(jì)算一次，必將增大計(jì)算工作量，且通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，每填筑兩層計(jì)算一次的結(jié)果精度并無(wú)顯著降低。所以，按照每填筑兩側(cè)計(jì)算一次工后沉降。

以斷面1為清表后直接填筑的典型斷面，該斷面路面寬84 m，路堤寬200 m，邊坡坡度為2∶3，填土深6 m，分層填筑且每層填土厚度為30 cm。地基深25.2 m，每填筑兩層即60 cm進(jìn)行一次工后沉降量計(jì)算，由于路面對(duì)稱，故取一半展開(kāi)模型計(jì)算。

從路基填土結(jié)束后地層沉降固結(jié)云圖可以看出，模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較為吻合，根據(jù)進(jìn)一步預(yù)測(cè)，工后6個(gè)月沉降固結(jié)已經(jīng)完成85.8%，說(shuō)明該高填方路基工后沉降基本穩(wěn)定，后期沉降小。

3.3 預(yù)測(cè)結(jié)果比較

將FLAC3D有限元差分法所得到的典型斷面模擬沉降量值和典型預(yù)測(cè)模型法預(yù)測(cè)值與實(shí)際沉降曲線進(jìn)行比較，分析可知，在不同工況下，典型預(yù)測(cè)模型法擬合誤差更小，預(yù)測(cè)效果也更優(yōu)，尤其是斷面1的擬合誤差始終不超出±10%；FLAC3D有限元差分法預(yù)測(cè)值直至工后140 d時(shí)誤差才接近10%。通過(guò)分析原因看出，F(xiàn)LAC3D有限元差分法所采用的參數(shù)基本為試驗(yàn)參數(shù)，試驗(yàn)土樣在取樣過(guò)程中已經(jīng)受到擾動(dòng)，尤其是高靈敏度軟土，輕微的擾動(dòng)便會(huì)造成試驗(yàn)參數(shù)的較大偏差。FLAC3D有限元差分法模擬工后沉降時(shí)因Mohr-Coulomb模型未考慮孔隙水、土體固結(jié)等對(duì)沉降的可能影響，但典型預(yù)測(cè)模型法預(yù)測(cè)時(shí)不使用土樣試驗(yàn)參數(shù)，僅通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行工后沉降預(yù)測(cè)，故預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確度更高。

通過(guò)比較典型預(yù)測(cè)模型擬合法和FLAC3D模擬法工后沉降預(yù)測(cè)誤差，斷面1誤差最小，斷面2誤差最大。主要原因在于斷面1在清表后直接進(jìn)行了路堤施工，對(duì)原狀土擾動(dòng)小，沉降規(guī)律預(yù)測(cè)較為容易；斷面2通過(guò)CFG樁加固路基，樁體打入對(duì)土體擾動(dòng)大，且樁間土與原狀土特性存在較大差異。兩種預(yù)測(cè)方法后期沉降預(yù)測(cè)精度均比前期高，因?yàn)楹笃谕馏w固結(jié)度隨之增大，當(dāng)路基整體穩(wěn)定性提升后，沉降量波動(dòng)也更小。

4 工后沉降控制

4.1 路堤監(jiān)測(cè)

我國(guó)高填方公路路基工后沉降一般在30 cm以內(nèi)，根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD30—2015），沉降監(jiān)測(cè)必須從邊坡開(kāi)挖開(kāi)始，直至邊坡施工全部結(jié)束，如果存在異常，還必須在運(yùn)營(yíng)后繼續(xù)監(jiān)測(cè)[4]。為此，該高速公路高填方路基邊坡開(kāi)挖施工期間必須每開(kāi)挖1級(jí)便觀測(cè)1次，對(duì)于填筑時(shí)間間隔較長(zhǎng)的情況，應(yīng)每隔3 d觀測(cè)1次。挖填施工過(guò)程中，如果監(jiān)測(cè)指標(biāo)超出規(guī)范允許值，必須加大監(jiān)測(cè)頻率。

高填方路堤應(yīng)以位移和沉降為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)內(nèi)容，對(duì)于填方基礎(chǔ)存在軟土層的情況，應(yīng)將空隙水壓力計(jì)埋入軟土層1.0 m以下，并從初始地面線和填方土體交界處開(kāi)始每間隔5 m布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)。各斷面平臺(tái)上布置沉降板，同時(shí)在高填方路基每個(gè)臺(tái)階處增設(shè)1個(gè)沉降釘，以分層觀測(cè)高填方路基沉降。

4.2 防排水設(shè)計(jì)

路基結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性受到地表水和地下水影響較大，高填方路基防排水設(shè)計(jì)的目的在于將地表水和地下水及時(shí)排出路基，排水方式主要有坡面排水和地下排水兩種，前者可設(shè)置截水溝、排水溝、邊溝，后者則包括滲井、盲溝等。路基鋪筑時(shí)還應(yīng)在路基表面設(shè)置防水土工材料，優(yōu)化防水效果。除采用常規(guī)性的防排水設(shè)計(jì)外，該高填方路基還應(yīng)當(dāng)采用《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD30—2015）中所推薦的方法，即在填料中摻加粉煤灰或砂礫石，有效解決泥質(zhì)巖軟化、水化問(wèn)題。同時(shí)進(jìn)行封閉包蓋處理，避免干濕循環(huán)對(duì)路堤淺層的破壞。

4.3 特殊路段處理

路基沉降一般包括路基本體沉降和地基沉降兩部分。其中，路基本體沉降又包含路堤壓密沉降和基床殘余沉降兩部分：路堤本體壓密沉降通常由靜力作用引發(fā)路基顆?？障稖p小而引起；基床殘余沉降則由上覆荷載重復(fù)作用，使基床結(jié)構(gòu)發(fā)生永久變形。

結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，基床淺層應(yīng)使用難粉化材料施工，并增大路基剛度，分散行車(chē)荷載，減輕基床所承受的壓力。對(duì)于粉碎特性較明顯的軟巖材料，還必須通過(guò)大型壓實(shí)機(jī)械充分破碎和碾壓。

5 結(jié)論

綜上所述，在進(jìn)行該高速公路高填方路基工后沉降預(yù)測(cè)時(shí)，對(duì)數(shù)法和泊松預(yù)測(cè)法路基工后沉降擬合結(jié)果與實(shí)測(cè)值較為接近，能較好反映高填方路基工后沉降規(guī)律，其擬合結(jié)果比FLAC3D模擬結(jié)果更加合理，準(zhǔn)確度也更高。在采取該文所提出的防排水設(shè)計(jì)、特殊路段處理以及從邊坡開(kāi)挖開(kāi)始到施工結(jié)束后運(yùn)營(yíng)期間均應(yīng)展開(kāi)高填方路基監(jiān)測(cè)等措施后，路基段工后沉降得到有效抑制，為路基強(qiáng)度及穩(wěn)定性提供了保證。