軟弱路基在山區(qū)高速公路上的變形特征研究

摘要 為深入探究山區(qū)高速公路軟弱路基的變形特征和穩(wěn)定性問題，該文通過介紹軟弱路基變形特征的分類與分析方法，闡述了軟弱路基在山區(qū)高速公路上的變形特征和變形機理。同時，通過離心試驗模擬了山區(qū)高速公路軟弱路基在不同工況下的受力狀態(tài)，進一步驗證了軟弱路基的變形規(guī)律和破壞模式。依托項目軟弱路基工程概況分析，該文詳細介紹了實際工程中軟弱路基的工程特性、地質(zhì)環(huán)境和施工情況，為后續(xù)的變形觀測提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在變形觀測方面，該文采用了多種監(jiān)測手段對軟弱路基的變形進行了實時監(jiān)測和分析，得出了軟弱路基在山區(qū)高速公路上的變形規(guī)律和影響因素。研究結(jié)果表明：通過合理的工程設(shè)計和施工措施，可以有效地控制軟弱路基的變形和破壞，提高山區(qū)高速公路的穩(wěn)定性和安全性。

關(guān)鍵詞 山區(qū)高速公路；軟土路基；變形特性

中圖分類號 U416 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）14-0149-03

0 引言

山區(qū)高速公路建設(shè)面臨著諸多挑戰(zhàn)，其中軟弱路基問題尤為突出。軟土地基因其低強度、高壓縮性等特性，在外界荷載下極易產(chǎn)生變形，從而降低公路的安全與服役年限。軟弱路基的變形主要受到地質(zhì)條件、環(huán)境因素和工程荷載等多重因素影響[1]。山區(qū)公路因地形和地質(zhì)條件的變化而異，軟弱路基的變形特征尤為復雜。常見的變形類型包括沉降、滑移和擠壓等。這些變形不僅影響道路的平整度，還可能引發(fā)更嚴重的安全問題。研究軟弱路基在山區(qū)高速公路上的變形特征，對于保障道路安全、提高工程質(zhì)量具有重要意義。

1 軟弱路基變形特征分類與分析

軟弱路基的變形主要包括壓縮變形和側(cè)向變形兩種。壓縮變形是由于路基材料在垂直方向上受到壓力作用而產(chǎn)生的變形，通常表現(xiàn)為沉降；側(cè)向變形則是由于路基材料在水平方向上受到剪切力作用而產(chǎn)生的變形，通常表現(xiàn)為滑移或擠壓[2]。軟弱路基的壓縮變形主要發(fā)生在道路使用初期，隨著時間的推移，變形速率逐漸減緩。壓縮變形的大小與路基材料的性質(zhì)、壓實度、外部荷載等因素密切相關(guān)。在山區(qū)高速公路中，由于地形起伏大，路基的壓縮變形往往表現(xiàn)出不均勻性，即不同位置的變形量存在差異[3]。對于壓縮變形特征的測定可通過在壓縮儀上進行單向壓縮試驗實現(xiàn)。圖1為壓縮儀基本結(jié)構(gòu)圖。

在進行試驗時，需要確保試樣不會受到任何來自側(cè)向的力，通過分級加載荷載的方式，每增加一級荷載，在土樣達到穩(wěn)定狀態(tài)時測其變形量，直到完成最后一級荷載加載為止[4]。根據(jù)土樣初始高度、初始孔隙比等參數(shù)，通過下述公式計算得出加載后的孔隙比：

式中：代表加載后的孔隙比，代表初始孔隙比，代表加載后土樣的變形量（m），代表土樣初始高度（m）。壓縮性可以通過壓縮系數(shù)計算得出。壓縮系數(shù)是指土體壓縮量的大小，其公式為：

式中：代表壓縮系數(shù)，代表初始荷載條件下的孔隙比，代表最終荷載條件下的孔隙比，代表初始荷載（kN/㎡），代表最終荷載（kN/㎡）。壓縮系數(shù)越大，則說明壓縮性越高。還可通過壓縮指數(shù)計算，確定壓縮性，公式為：

式中：代表壓縮指數(shù)。

側(cè)向變形主要表現(xiàn)為路基的滑移和擠壓。滑移通常發(fā)生在路基的邊坡處，由于邊坡穩(wěn)定性不足，受到降雨、地震等外部因素的影響，容易發(fā)生滑移現(xiàn)象。擠壓則多發(fā)生在路基的橫向連接處，由于路基材料的側(cè)向約束不足，容易發(fā)生擠壓變形。

2 山區(qū)高速公路軟弱路基離心試驗

離心試驗是利用離心力場模擬實際工程中的重力場，通過調(diào)整離心機的轉(zhuǎn)速，可以實現(xiàn)對實際工程中的應力、應變狀態(tài)的模擬。離心試驗裝置主要包括離心機、模型箱、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分[5]。在試驗過程中，將軟弱路基模型放置在模型箱內(nèi)，通過調(diào)整離心機的轉(zhuǎn)速和加載方式，模擬不同工況下的路基受力狀態(tài)。引入高速旋轉(zhuǎn)的土工離心機，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

利用該裝置使其產(chǎn)生的離心力為其自身重量的n倍，以彌補由于縮比1/n引起的自重應力損耗，使其與原型在應力、應變等條件下保持一致。與一般靜態(tài)狀態(tài)下的物理模型相比，更符合真實情況，對于研究以自重為主的巖土工程力學行為具有重要意義。通過離心模型實驗，利用離心力場對重力場進行模擬，將工程結(jié)構(gòu)物的自重提升至與原型對應的狀態(tài)。

在此基礎(chǔ)上，采用1/N比例離心模型，將超孔隙水壓力分布與1/N2的離心模型進行比較，發(fā)現(xiàn)在離心力場作用下，孔隙水壓力的消失時間會縮短1/N2倍[6]。這一特征可用于模擬真實土壤經(jīng)過幾十年乃至幾百年時間的固結(jié)過程。通過調(diào)整離心模型的尺度和離心力場，可以更準確地預測實際工程中土層的長期固結(jié)行為，從而優(yōu)化山區(qū)高速公路軟弱路基的設(shè)計與施工方法。

離心模型試驗與重力場的差異在于試驗模型所受的離心力場特性[7]。離心機轉(zhuǎn)臂在離心過程中產(chǎn)生的離心力場，離心機轉(zhuǎn)子以角速度轉(zhuǎn)動時，徑向上的質(zhì)點將承受離心力與重力的雙重影響。由于離心力場并不能充分反映實際情況，因此，離心模型實驗的結(jié)果與實際情況相差甚遠[8]。然而，通過精確控制離心機的旋轉(zhuǎn)速度和加載條件，可以最大限度地減小這種近似性，從而更準確地模擬實際工程中的應力和應變狀態(tài)。假設(shè)其合力為，公式為：

式中：代表應變量（mm）。代表制模半徑（mm）。代表重力加速度（mm/s2）。

結(jié)合上述論述，在試驗前完成填土制模。在工程實踐中，首先要確定填料的最大干密度不能超過2.09 g/cm3，最優(yōu)含水量要達到9.0%。隨后，依據(jù)這些參數(shù)繪制擊實曲線，如圖3所示。

在填筑過程中，嚴格控制壓實度和填筑高度，以確保各層壓實質(zhì)量。同時，為了減小模型箱周邊可能產(chǎn)生的邊界效應，在制模時在模型箱周圍涂抹黃油。

3 依托項目軟弱路基工程概況分析

為更直觀分析軟弱路基在山區(qū)高速公路上的變形特征，依托某軟弱路基工程項目，對其進行路基變形特征分析。該工程路線穿越的地段主要是耕地，位于一緩坡地帶。在這一區(qū)域，可以觀察到基巖局部露出地表，這些基巖受到了強烈的侵蝕和溶蝕作用。整個場區(qū)的標高范圍在1 572.4～1 658.8 m之間，相對的最大高差約為86.4 m。而該項目所穿越的路段，海拔1 585.1～1 600.1 m，最大落差是15 m。

從地貌特征上看，該場區(qū)屬于構(gòu)造侵蝕－溶蝕型中低山地貌。這意味著該地區(qū)的地形地貌是在長期的地質(zhì)構(gòu)造運動和地表侵蝕、溶蝕作用下形成的。這種地貌類型通常具有地形起伏較大、地表形態(tài)復雜多樣的特點。在工程建設(shè)中，需要充分考慮這種地貌特征對路線設(shè)計和施工的影響，采取相應的工程措施，確保工程的安全性和穩(wěn)定性。

4 依托工程軟弱路基變形觀測

在完成上述工程項目的路基填筑后，在斷面上進行變形觀測，觀測點的布置如圖4所示。

圖4中A、B、C觀測點位于路基頂面，D、E觀測點位于路基邊坡外，F(xiàn)、G觀測點位于地表坡腳位置。通過對各個觀測點實際測量變形數(shù)據(jù)的獲取，總結(jié)軟弱路基在山區(qū)高速公路上的變形特征。

水平位移監(jiān)測：為了對路基的水平變形進行精確監(jiān)測，采用現(xiàn)場試驗的方法，在路堤的坡腳處設(shè)置了預制的鋼筋混凝土邊樁。邊樁要小心地安置在路堤兩邊的趾部，溝的外緣和距路外10 m遠的地方。為了保證資料的準確、可靠，在測量過程中，使用高精度的全站儀，并使用了視準線或單三角前交會等方法。表1中記錄了各觀測點水平變形數(shù)據(jù)。

在前100 d的監(jiān)測期內(nèi)，側(cè)向變形以集中為主，后期趨于收斂；在路堤上部，設(shè)置三個監(jiān)測點：A、B、C。結(jié)果表明，點A處的水平位移最大，為-4 mm，B處為最小值，為-1.5 mm。在此過程中，邊坡平臺上D點和E點的水平位移分別為-3.5 mm和3 mm。在路堤邊坡上，兩個測點均未出現(xiàn)水平位移，說明基礎(chǔ)不存在剪切破壞。

垂直位移測量采用了一種由鋼底板，金屬測桿，防護套組成的沉降板。為保證監(jiān)控的精度，鋼基板的大小設(shè)置為60 cm×60 cm×3 cm，測量桿的直徑為4 cm。這些沉降板被精心布置在路基的左右路肩、中央分隔帶、路基邊坡平臺以及地表坡腳處，以便全面而準確地監(jiān)測豎向變形情況。表2中記錄了各觀測點豎向變形數(shù)據(jù)。

在施工后100 d之內(nèi)，路基土體處于固結(jié)階段。在固結(jié)結(jié)束后，地基沉降趨于平緩。在路基頂面的A、B、C三個測點中，A處豎向位移最大，為-17 mm，最小處為C，豎向位移-15 mm。在邊坡平臺上，點D和E分別沉降-10 mm和-9 mm。特別指出，在路堤坡腳處的F、G點的豎向變形較小，這進一步證實了地基并未發(fā)生剪切破壞。

5 結(jié)論

該文通過對軟弱路基在山區(qū)高速公路上的變形特征進行研究，揭示了其變形規(guī)律和影響因素。為保障道路安全和提高工程質(zhì)量，建議采取以下措施：加強地質(zhì)勘探和前期設(shè)計工作，準確評估軟弱路基的工程特性；優(yōu)化施工方案，采取適當?shù)募庸檀胧?，提高路基的承載能力；加強運營期間的監(jiān)測和維護工作，及時發(fā)現(xiàn)并處理變形問題。

參考文獻

[1]賈靜靜.注漿加固黃土沖溝虛填段路基變形及穩(wěn)定性分析[J].市政技術(shù)，2024（2）：62-67.

[2]繆丹，陳洋，王鳳之.軟土路基堆載預壓過程中的變形及控制標準分析研究[J].廣東土木與建筑，2024（1）： 20-24.

[3]梁宇.既有高速鐵路路基幫寬對既有高速鐵路變形控制的研究[J].工程機械與維修，2024（1）：94-97.

[4]劉躍成，伍東衛(wèi)，蔣中明，等.道路兩側(cè)綠地蓄水對路基滲透變形的影響研究[J].湖南交通科技，2023（4）：85-90.

[5]王虎，李棟，唐昌意，等.深基坑開挖影響下深厚軟土路基變形規(guī)律研究[J].地下空間與工程學報，2023（6）：2011-2019.

[6]宋川云，鐘有信，徐帆，等.基坑開挖與支護方式對鄰近路基變形的影響[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2023（12）：158-160.

[7]王志強，崔仕杰，肖文斌.基于FLAC3D的黃土地區(qū)路基拓寬變形數(shù)值分析[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2023（12）：122-124.

[8]王長丹，散騫騫，王炳龍，等.城市軌道交通新建路基對鄰近既有樁筏結(jié)構(gòu)路基水平變形的影響[J].城市軌道交通研究，2023（12）：38-42.

收稿日期：2024-02-27

作者簡介：辛權(quán)（1993—），男，本科，工程師，從事建筑施工工作。