高填方路基沉降分析及控制技術(shù)研究

梅州市梅縣區(qū)偉康公路建設(shè)投資有限公司，廣東 梅州 514700

1 高填方路基沉降原因

1.1 勘察設(shè)計(jì)原因

公路屬于三維帶狀結(jié)構(gòu)物，沿線地形地貌、水文地質(zhì)條件等可能較復(fù)雜。如果設(shè)計(jì)人員在開展現(xiàn)場(chǎng)勘察查任務(wù)時(shí)準(zhǔn)備工作不充分、人力或經(jīng)費(fèi)不足、技術(shù)手段落后，或者未能充分查明高填路基范圍內(nèi)的不良地質(zhì)或特殊巖土特性，則會(huì)影響高填方路基建設(shè)方案的制訂，導(dǎo)致路基后期沉降過(guò)大。尤其是軟土地基，由于其含水量高、可壓縮性大、強(qiáng)度低、孔隙水壓力消散慢，如果處治措施不當(dāng)，將會(huì)產(chǎn)生較大的固結(jié)沉降，影響高填方路基的安全性。此外，高填方路基在設(shè)計(jì)時(shí)若套用一般路基斷面處理方法，而未進(jìn)行工點(diǎn)設(shè)計(jì)或路基穩(wěn)定性驗(yàn)算，選取的土體強(qiáng)度參數(shù)指標(biāo)可能出現(xiàn)不合理等問(wèn)題，這也會(huì)導(dǎo)致高填方路基沉降。

1.2 施工原因

施工是影響高填方路基沉降變形的直接因素，主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

（1）路基填料差。路基填料一般應(yīng)選擇強(qiáng)度高、水穩(wěn)定性好的砂礫土和碎石土等，不宜使用高塑性黏土、粉土、腐殖土、泥沼土等，否則容易導(dǎo)致路基沉陷破壞。

（2）路基壓實(shí)質(zhì)量不合格。路堤分層填筑期間，不按規(guī)范控制松鋪厚度，壓實(shí)機(jī)械隨意組合，壓實(shí)速度過(guò)快、遍數(shù)少，都會(huì)導(dǎo)致路基壓實(shí)度不足，從而導(dǎo)致路基后期沉降變形大。

（3）施工現(xiàn)場(chǎng)管理水平低。在高填方路基施工期間，如果技術(shù)人員理論知識(shí)不足、管理能力欠缺，則無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)科學(xué)合理地指導(dǎo)工人施工，導(dǎo)致高填方路基施工質(zhì)量差[4]。

2 高填方路基沉降變形規(guī)律

高填方路基沉降總量=地基土沉降+路堤填料壓縮，其中地基土沉降通常選擇分層總和法來(lái)計(jì)算，但路堤填料自身壓縮變形影響因素較復(fù)雜，目前尚沒(méi)有統(tǒng)一的計(jì)算理論。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來(lái)越多的高填方路基沉降變形開始采用有限元分析法計(jì)算。

2.1 工程實(shí)例

文章以某公路項(xiàng)目為研究對(duì)象，其樁號(hào)K48+270～K48+380路段位于山溝內(nèi)，設(shè)計(jì)方案選擇高填方路基通過(guò)，全長(zhǎng)約110m，邊坡最大高度為24m。場(chǎng)地內(nèi)地表下伏層為泥質(zhì)粉砂巖，工程性能較好，可作為地基基礎(chǔ)持力層，其容重為24kN/m3、黏聚力為32kPa、內(nèi)摩擦角為40°；高填方路堤的填料擬采用碎石土，其容重為21.5kN/m3、黏聚力為5kPa、內(nèi)摩擦角為35°。高填方路基分3級(jí)填筑，每級(jí)填土高度為8m，臺(tái)階寬2m，且每填筑1m進(jìn)行1次增強(qiáng)補(bǔ)壓，填方邊坡第一級(jí)、第二級(jí)、第三級(jí)坡率分別取1∶1.5、1∶1.75、1∶2.0。

2.2 有限元模型建立

（1）邊界條件。高填方路基底部設(shè)置為不透水邊界，且對(duì)其X方向、Y方向、Z方向完全約束；路基頂部和邊坡坡面設(shè)置為自由邊界，可發(fā)生豎向壓縮和水平位移；地基土只約束X方向，可產(chǎn)生豎向壓縮[5]。

（2）網(wǎng)格劃分。由于網(wǎng)格大小和網(wǎng)格數(shù)量對(duì)模型計(jì)算結(jié)果和計(jì)算效率影響較大，在確保高填方路基沉降精度和計(jì)算速度的前提下，利用FLAC 3D 5.0軟件中的二維實(shí)體Brick單元對(duì)路堤填料和地基土進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)坡面以內(nèi)2m及路床范圍內(nèi)的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，網(wǎng)格尺寸取1m×1m，其他部位網(wǎng)格尺寸取2m×2m，共劃分出單元4251個(gè)、節(jié)點(diǎn)5892個(gè)。

（3）屈服準(zhǔn)則。高填方路基沉降變形計(jì)算可采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型，其計(jì)算參數(shù)簡(jiǎn)單，計(jì)算結(jié)果偏安全，在巖土工程分析中應(yīng)用廣泛。摩爾-庫(kù)倫的破壞函數(shù)可選擇有效應(yīng)力法或總應(yīng)力法，公式如下：

式中：τf為抗剪強(qiáng)度；c、φ分別為黏聚力和內(nèi)摩擦角；c'、φ′分別為有效黏聚力和有效內(nèi)摩擦角；σ為法向應(yīng)力；σ′為有效法向應(yīng)力。

2.3 高填方路基沉降計(jì)算結(jié)果

（1）各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變形。該填方路基寬度為8.5m，從路基中心線開始，每隔1m布置1個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離路基中心的距離左側(cè)為“-”，右側(cè)為“+”，得到的高填方路基填筑完成后的沉降變形結(jié)果如圖1所示。

圖1 高填方路基各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變形

由圖1可知，高填方路基中心處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變形最大，達(dá)到31.6mm，且路基兩側(cè)的沉降變形相差不大，整體上呈對(duì)稱分布。同時(shí)，隨著與路基中心線距離的增加，路基沉降量變小，但是減小速率是先快后慢，即當(dāng)距路基中心距離小于2m時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變形減小、速率快，達(dá)到2.95mm/s；當(dāng)距路基中心距離超過(guò)2m時(shí)，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化幅度不大，僅為0.94mm/s。產(chǎn)生此現(xiàn)象的主要原因?yàn)樵谔钔恋韧夂奢d作用下，路堤及地基土中會(huì)產(chǎn)生附加應(yīng)力，導(dǎo)致土體壓縮變形，且距離路基中心越遠(yuǎn)，附加應(yīng)力影響效果越小。

（2）填土高度對(duì)路基最大沉降的影響。由于高填方路基分層填筑，為了更好地模擬路基施工期間的沉降變化規(guī)律，文章分析了不同填土高度對(duì)路基最大沉降的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2 各壓實(shí)度下路基最大沉降

由圖2可知，隨著路基填土高度的不斷增加，路基最大沉降量也在不斷增加，且兩者之間基本呈線性正相關(guān)趨勢(shì)。填土高度每增加1m，路基最大沉降約提高2.67mm，這是因?yàn)樘钔粮叨仍酱螅┘釉诼返毯偷鼗恋暮奢d越大，產(chǎn)生的附加應(yīng)力越大，則沉降變形也就越大。

3 高填方路基沉降控制技術(shù)

目前，高填方路基降低沉降的方法主要有鋪土工格柵、采用輕質(zhì)填料、加強(qiáng)地基處理等措施。

（1）鋪土工格柵。在高填方路基各層之間鋪土工格柵，可以形成加筋土，提高土體的抗剪強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度和壓縮模量，降低填料的可壓縮性，從而減小路基沉降變形。

（2）采用輕質(zhì)填料。輕質(zhì)材料一般重度較小，高填方路基填筑采用輕質(zhì)材料能有效降低作用在地基上的荷載，從而減小土體中的附加應(yīng)力和沉降變形。在填筑輕質(zhì)材料路段和一般路基之間要開挖臺(tái)階設(shè)置過(guò)渡段，臺(tái)階高度為0.5～1.0m，坡比宜為1∶1～1∶2，以確保路基的整體穩(wěn)定性。

（3）地基處理。如果高填方路基區(qū)域范圍內(nèi)存在軟弱土層，則必須先對(duì)其進(jìn)行處理再施工。如果軟弱土層厚度不大（小于3m），可采用換土墊層法，其基本原理是挖除地面線高程以下的軟土層，換填成強(qiáng)度大、水穩(wěn)定性好的砂、碎石、粉煤灰等，并夯壓密實(shí)，以提高地基承載力，減小地基及其下臥層沉降變形。如果軟弱土層厚度較深，可選擇水泥攪拌樁處治。水泥攪拌樁可按梅花形布置，樁頂鋪厚度為20cm的碎石層，樁徑取350～500mm，樁長(zhǎng)與樁間距可利用《理正巖土》或有限元軟件的計(jì)算結(jié)果確定。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章分析了高填方路基的沉降變形原因、變形規(guī)律及施工控制措施，主要得到了以下結(jié)論：（1）高填方路基沉降原因主要是設(shè)計(jì)方案不合理、路基填料差、路基壓實(shí)質(zhì)量不合格、施工現(xiàn)場(chǎng)管理水平低；（2）距離路基中心線距離越遠(yuǎn)，路基沉降越小，且中線兩側(cè)路基沉降變形相差不大，整體呈對(duì)稱分布；（3）高填方路基最大沉降量會(huì)隨著路基填土高度的增加而增加；（4）鋪土工格柵、采用輕質(zhì)填料、加強(qiáng)地基處理等措施可以有效地改善高填方路基沉降變形。