土方路基高填方工后沉降的控制措施

許寧臣

（中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司，北京 101300）

0 引言

為了保證整體公路施工的連貫性和統(tǒng)一性，高填方路基成為公路建設(shè)過程中的重要施工內(nèi)容。但對(duì)于土方高填方路基而言，其施工質(zhì)量直接影響著公路的安全性、暢通性，一旦后期發(fā)生路基沉降，會(huì)引發(fā)路面裂縫以及下穿涵洞管線破裂等問題，甚至?xí)跇蚵愤B接處導(dǎo)致橋頭跳車的現(xiàn)象產(chǎn)生。該種現(xiàn)象的產(chǎn)生不僅需要耗費(fèi)大量的人力物力進(jìn)行維修養(yǎng)護(hù)，整個(gè)運(yùn)維期間對(duì)交通造成的阻礙也是不容小覷，無論是經(jīng)濟(jì)效益還是社會(huì)效益都會(huì)造成一定的損失。所以明確土方路基高填方施工特征，厘清路基沉降原因，掌握控制措施，才能夠有效避免土方路基高填方工后沉降危害，促進(jìn)公路建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 土方路基高填方的特點(diǎn)

1.1 工程量大，質(zhì)量控制難度大

公路通常具有里程長(zhǎng)、跨越地帶復(fù)雜的特點(diǎn)，尤其在山區(qū)公路建設(shè)的過程中，不可避免地會(huì)遇到大量的填方施工。在公路填方施工過程中，若填土高度小于1.5m，則屬于矮填方路基；若土方路基填土高度大于20m、石方路基填土高度大于12m、軟土路基填土高度大于6m，則屬于高填方路基。隨著我國(guó)公路建設(shè)的深入，高填方路基非常常見，甚至有高度超過50m 的高填方路基出現(xiàn)。因此，施工過程不僅土石方工程量巨大，工期時(shí)間長(zhǎng)，而且，在填筑過程中，對(duì)壓實(shí)機(jī)具的選擇以及壓實(shí)質(zhì)量均有較高的要求，施工過程中各種環(huán)境因素、施工因素等引起的問題更是難以避免，所以總體質(zhì)量控制異常困難。

1.2 填筑高度高，性能要求高

在等級(jí)公路建設(shè)過程中，因?yàn)榻ㄔO(shè)標(biāo)準(zhǔn)較高，所以并不會(huì)預(yù)留沉降量，也不會(huì)隨意更改填筑高度，而且高填方路基本身自重較大，整體監(jiān)控以及沉降監(jiān)測(cè)更為嚴(yán)格。為此，在設(shè)計(jì)之初就必須要保證路基密度達(dá)到相關(guān)規(guī)范、保證足夠恒久的穩(wěn)定性、足夠應(yīng)對(duì)荷載的強(qiáng)度以及剛度，當(dāng)然，對(duì)于其水熱穩(wěn)定性也有著較高的要求，從根本上保證高填方路基具備安全性和穩(wěn)定性。

1.3 分析認(rèn)證復(fù)雜，技術(shù)含量高

在路基設(shè)計(jì)施工過程中，通常按照典型的橫斷面來進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，但高填方路基設(shè)計(jì)施工的過程中會(huì)面對(duì)諸多的技術(shù)問題，所以無論是對(duì)路基填料的選擇還是施工程序的選擇都有著非常嚴(yán)格的要求，尤其對(duì)于邊坡以及地基承載力都需要經(jīng)過嚴(yán)格的驗(yàn)算才能夠保證為后續(xù)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)，確定相應(yīng)的斷面形式以及施工計(jì)劃。驗(yàn)算的過程要充分考慮基底實(shí)際，包括地質(zhì)以及地下水的含量對(duì)邊坡穩(wěn)定性造成影響，并根據(jù)調(diào)查結(jié)果進(jìn)行高填方路基穩(wěn)定性評(píng)估，只有達(dá)到穩(wěn)定系數(shù)才能夠?qū)嵭邢乱徊降脑O(shè)計(jì)，若未達(dá)到穩(wěn)定系數(shù)必須要經(jīng)過加固處理才能夠保障施工質(zhì)量。當(dāng)前高填方路基穩(wěn)定性驗(yàn)算采用的主要方法包含二維線性有限元法以及概率分析法等，通過驗(yàn)算分析能夠得到具體的概率數(shù)值，找出影響穩(wěn)定性的敏感因素并針對(duì)性地采取措施進(jìn)行處理。

2 土方路基高填方沉降的特點(diǎn)

2.1 線性特征明顯，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)

土方路基高填方工后沉降需要經(jīng)歷較長(zhǎng)的時(shí)間才能體現(xiàn)，短則一年長(zhǎng)則幾十年，而且沉降過程中的線性關(guān)系非常明顯，沉降量會(huì)隨著填筑高度的增加以及施工建設(shè)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大。填筑初期沉降速度較慢，隨著填筑高度的不斷增加產(chǎn)生的沉降速度會(huì)逐漸地加快，而竣工驗(yàn)收之后，沉降速度又會(huì)逐漸變得緩慢，直到填筑結(jié)束逐漸趨于穩(wěn)定，但在后期公路使用過程中，會(huì)由于填土本身的重量以及行車荷載再次發(fā)生緩慢沉降。另外，整個(gè)沉降量的產(chǎn)生同地質(zhì)條件本身也有著緊密的關(guān)系，地質(zhì)條件越好產(chǎn)生的沉降量越小，地質(zhì)條件越差產(chǎn)生的沉降量越大。另外土方路基高填方的工后沉降大多為地基沉降，壓縮沉降概率可以忽略不計(jì)。

2.2 路面危害明顯，安全隱患大

高填方路基沉降可分為施工期沉降以及工后沉降。施工期沉降通常通過填補(bǔ)加高的處理措施來實(shí)現(xiàn)沉降控制。但工后沉降影響較大，不僅會(huì)引發(fā)路面塌陷以及裂縫等現(xiàn)象，甚至?xí)斐上麓┖匆约肮芫€的破壞，而且沉降情況會(huì)隨著路基填筑的高度增加而加重，影響公路的正常運(yùn)行，并存在較大的安全隱患[1]。

2.3 土方路基高填方工后沉降原因

2.3.1 受地質(zhì)土壤影響嚴(yán)重

填方路基施工過程中地質(zhì)勘察是首要任務(wù)。良好的地質(zhì)地形能夠保證路基的穩(wěn)定性和耐久性，但若該工段處于不良地質(zhì)區(qū)域，例如所處路段土壤密度較小、承受壓力限度較低，不僅會(huì)為施工帶來一定程度上的困難。且隨著路基填筑高度的不斷增加導(dǎo)致地基變形壓縮，隨之沉降、開裂的現(xiàn)象也會(huì)愈演愈烈。這在耕地、稻田、湖塘、軟土等土壤比較松散的路段比較容易出現(xiàn)，尤其是受到水害侵蝕之后，在長(zhǎng)期的行車荷載作用下內(nèi)部剛度降低，外部壓力增加，雙向的影響容易導(dǎo)致路基沉降變形。想要從根本上實(shí)現(xiàn)路基沉降的控制，還需采取合理的規(guī)劃加強(qiáng)路基加固工作以夯實(shí)施工基礎(chǔ)。

2.3.2 路基施工用料影響

隨著公路建設(shè)難度的不斷升級(jí)，土方路基高填方施工的高度越來越高，寬度越來越大，需要大量的路基填料。路基填料選擇時(shí)，要結(jié)合公路建設(shè)的實(shí)際情況，從根本上提升路基耐久性。如果填料選擇不當(dāng)，不僅難以保證穩(wěn)定性和滲水性，發(fā)生沉降位移在所難免[3]。路基填料的選擇要根據(jù)施工路段實(shí)際情況進(jìn)行考察：

（1）考察該路段是否處于多水區(qū)域，若該路段處于多水害發(fā)生區(qū)域，所選用的填料既要保證穩(wěn)定性又要保證滲水性。

（2）考慮路基填料與路段土壤本身的結(jié)合性，二者結(jié)合性越高路基穩(wěn)定性越高。

（3）注重路基填料的最小承載比，承載比需要滿足車輛載荷的需求。為此，公路施工前要對(duì)車輛交通量進(jìn)行判斷估算，這對(duì)提升填筑路基的使用壽命，有效預(yù)防沉降現(xiàn)象，確保公路建設(shè)質(zhì)量都有著積極的作用。

3 土方路基高填方工后沉降的分析與預(yù)測(cè)

3.1 土方路基高填方工后沉降預(yù)測(cè)方法

3.1.1 靜態(tài)模型預(yù)測(cè)法

（1）雙曲線模型。目前雙曲線法是路基沉降變形預(yù)測(cè)的主要方式之一，其根本原理在于以實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，將沉降量同時(shí)間之間的關(guān)系以雙曲線的形式繪制出來，通過對(duì)雙曲線的變化趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)估計(jì)高填方路基變化趨勢(shì)或者沉降值，在雙曲線模型建立的過程當(dāng)中，任意時(shí)間的沉降值變化通過以下公式表示：

式中：St——t時(shí)刻的沉降值；

a、b——特定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，二者的獲取以實(shí)測(cè)資料數(shù)值為基礎(chǔ)，在線性回歸方法的運(yùn)用之上求得。

（2）指數(shù)曲線模型。指數(shù)曲線模型法的原理與雙曲線模型基本類似，通過在曲線上所獲得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用軟件進(jìn)行擬合得出最終沉降值。該模型建立過程中可以以太沙基的一維固結(jié)理論為基礎(chǔ)，該理論中認(rèn)為孔隙水中的壓力會(huì)隨著時(shí)間的變化而呈現(xiàn)出一定的曲線關(guān)系，所以對(duì)于彈性土體而言，土體壓縮變形沉降的過程也會(huì)呈現(xiàn)出一定的指數(shù)曲線關(guān)系，在此過程中，確定該時(shí)刻的固結(jié)度，就能夠?qū)崿F(xiàn)此刻高填方路基沉降的推算。表達(dá)公式如下：

式中：U——土體平均固結(jié)度，計(jì)算公式為；

St——t時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的沉降值；

Sd——瞬時(shí)沉降；

S∞——表示沉降的最終值。

3.1.2 動(dòng)態(tài)模型預(yù)測(cè)法

（1）灰色系統(tǒng)法?；疑到y(tǒng)法建立于數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)之上，其最重要的特點(diǎn)就是利用較少的數(shù)據(jù)以及不確定性的信息建立動(dòng)態(tài)微分方程，該模型建立在GM模型基礎(chǔ)之上，以GM 模型為定量預(yù)測(cè)，通過隨機(jī)數(shù)據(jù)列出的時(shí)間變化經(jīng)過一定方式的累加，保證其變成非負(fù)遞增的數(shù)據(jù)列，并通過該方程加強(qiáng)對(duì)路基結(jié)構(gòu)形態(tài)的認(rèn)識(shí)，從而以灰色關(guān)聯(lián)空間為依托，對(duì)土方路基高填方工后沉降作用機(jī)理進(jìn)行深刻理解。

（2）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法。所謂的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法就是通過對(duì)人體大腦思想的借鑒，完成傳統(tǒng)的函數(shù)關(guān)系到非線性映射的轉(zhuǎn)變。該過程當(dāng)中可以對(duì)影響高填方路基沉降的復(fù)雜因素進(jìn)行詳細(xì)表達(dá)以及變化規(guī)律的推導(dǎo)。整個(gè)過程當(dāng)中首先通過監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的布置獲取沉降數(shù)據(jù)值，在軟件擬合曲線的輔助之下建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；模型建立完成之后通過誤差逆?zhèn)鞑ピ韺?duì)其進(jìn)行訓(xùn)練；當(dāng)訓(xùn)練成熟之后根據(jù)整體思想完成路基沉降的預(yù)測(cè)，整個(gè)過程當(dāng)中可以及時(shí)地對(duì)偏差進(jìn)行調(diào)解處理[2]。

4 土方路基高填方工后沉降控制措施

4.1 施工前的預(yù)防沉降措施

（1）做好地質(zhì)勘察，完善施工設(shè)計(jì)。施工前的地質(zhì)勘察重點(diǎn)在于施工路段的水文地質(zhì)條件，所以應(yīng)對(duì)其土壤特質(zhì)水系分布等有詳細(xì)了解，尤其對(duì)軟土地基存在的位置特點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注。該過程中根據(jù)實(shí)際勘察情況，對(duì)地基的沉降量以及水平位移進(jìn)行分析，按照相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范需求對(duì)路基穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。造成路基沉降的原因有很多，但不同地質(zhì)條件的地基控制存在差異性，所以標(biāo)準(zhǔn)也會(huì)有一定的差異，需要結(jié)合以往的成功經(jīng)驗(yàn)完善施工設(shè)計(jì)方案，方案包括軟土路基的處理加固、也包括路基填筑工序壓實(shí)指標(biāo)，當(dāng)然壓實(shí)度檢測(cè)方式也是重點(diǎn)內(nèi)容。另外在施工方案制定完畢之后需進(jìn)行技術(shù)交底，從根本上保證方案的有效執(zhí)行以及施工質(zhì)量。

（2）合理選取填料，注重軟土處理。在施工過程中，為保證成本控制以及施工效率，通常會(huì)選取施工沿線的料場(chǎng)提供各種原料。所以在對(duì)沿線料場(chǎng)進(jìn)行填料選取過程中，首先要完成試驗(yàn)檢測(cè)，保證該料場(chǎng)所提供的填料符合施工標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)的內(nèi)容包括液限檢測(cè)、塑限檢測(cè)以及含水量顆粒分析等，確定所選取的填料符合標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行相應(yīng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)來保證材料選取符合施工需求。通常情況下路基填料的含石量越高，路基越為穩(wěn)固，沉降位移發(fā)生概率越小。所以要嚴(yán)格控制填料的質(zhì)量，避免人為操作不當(dāng)影響施工質(zhì)量[4]。

4.2 施工中沉降控制措施

（1）材料運(yùn)輸進(jìn)場(chǎng)保證質(zhì)量。土方路基高填施工填筑材料是基礎(chǔ)，所以必須要實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的質(zhì)量控制避免以次充好的現(xiàn)象產(chǎn)生。該過程當(dāng)中需要從運(yùn)輸以及進(jìn)場(chǎng)兩方面進(jìn)行綜合控制，運(yùn)輸?shù)倪^程當(dāng)中，通常采用自卸式汽車進(jìn)行運(yùn)輸，需遮蓋篷布避免雨水侵襲，且在運(yùn)輸?shù)竭_(dá)現(xiàn)場(chǎng)之后由專門負(fù)責(zé)人員進(jìn)行卸料指揮驗(yàn)收工作，施工現(xiàn)場(chǎng)的材料鋪攤需要分層有序進(jìn)行，保證攤鋪厚度滿足實(shí)際需求，并預(yù)留一定的虛鋪厚度便于后期壓實(shí)。值得注意的是，在此過程當(dāng)中無論是材料的采購(gòu)還是設(shè)備的選取都應(yīng)該實(shí)現(xiàn)專項(xiàng)控制、專項(xiàng)管理，確保材料性能，確保機(jī)械性能。

（2）嚴(yán)格壓實(shí)控制，保證壓實(shí)度。填料壓實(shí)是整個(gè)工序當(dāng)中最重要的工序，壓實(shí)進(jìn)行前首先要保證選擇合理的壓路機(jī)型號(hào)并對(duì)填料的含水率進(jìn)行檢測(cè)。若填料的含水率過高可以通過翻曬處理降低含水率，若含水率過低可以通過相應(yīng)的灑水悶料處理保證含水率方便碾壓施工。通常情況下碾壓施工從路基兩側(cè)向中間進(jìn)行壓實(shí)曲線段由內(nèi)向外進(jìn)行壓實(shí)，而且碾壓的速度根據(jù)坡度進(jìn)行控制，整個(gè)碾壓過程當(dāng)中保持由低向高勻速進(jìn)行碾壓。在對(duì)路基邊緣進(jìn)行碾壓的過程當(dāng)中，要保證壓路機(jī)和路基線完成有效銜接，保證無漏壓產(chǎn)生。壓路機(jī)無法完成的碾壓工作，要進(jìn)行人工壓實(shí)。值得注意的是高填方填筑路段的壓實(shí)工作應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行安排，確保沉降期的預(yù)留。在對(duì)不良地質(zhì)路段壓實(shí)的過程中填筑速度、壓實(shí)速度必須要根據(jù)水平位移來進(jìn)行合理有效控制。

4.3 做好施工監(jiān)測(cè)，注重沉降觀測(cè)

為保證施工質(zhì)量，施工過程需要配備專業(yè)知識(shí)過硬、經(jīng)驗(yàn)豐富的施工人員作技術(shù)指導(dǎo)。從填料選擇到施工工序計(jì)劃進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，保證高填方路基施工高效、高質(zhì)量地進(jìn)行。施工過程中的監(jiān)測(cè)工作一定要予以重視，保證及早發(fā)現(xiàn)，及早分析問題，及早完成處理。沉降的控制應(yīng)貫穿于路基施工的全過程，在準(zhǔn)備階段，應(yīng)完成沉降觀測(cè)點(diǎn)的設(shè)置。觀測(cè)點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)選取2～3個(gè)為最佳，通過水準(zhǔn)儀以及全站儀的輔助，保證高精度、高穩(wěn)定性的觀測(cè)曲線的測(cè)繪。觀測(cè)頻率根據(jù)施工進(jìn)度和沉降位移的數(shù)值來確定，可以采取每天多次進(jìn)行觀測(cè)，若位移沉降數(shù)值較小，則表明整體趨勢(shì)較為平穩(wěn)，可適當(dāng)?shù)卣{(diào)整延長(zhǎng)頻率。不過隨著填筑高度的增加，相應(yīng)的觀測(cè)密度也應(yīng)該有所增加便于施工質(zhì)量的分析，同時(shí)及時(shí)有效地做出調(diào)整[5]。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，高填方路基施工不僅工程量大且工期長(zhǎng)，其中涉及問題比較繁瑣，控制起來難度較高。關(guān)于土方路基高填方的沉降，針對(duì)性地分析原因并采取相應(yīng)的措施才能夠?qū)崿F(xiàn)有效的控制。施工過程中要從實(shí)際勘察入手，嚴(yán)格執(zhí)行填料選擇標(biāo)準(zhǔn)，通過有效的觀測(cè)，及時(shí)地進(jìn)行沉降控制，保證路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性，從而提升公路施工質(zhì)量及運(yùn)行安全。