高填方工程工后沉降演化規(guī)律研究綜述

柴玉卿，鄭雙飛，李 旭，杜戰(zhàn)軍，李 帥，劉 雪，丁心香

(1.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南 鄭州 450052；2.北京交通大學(xué)城市地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044)

0 引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的迅速發(fā)展，國(guó)家對(duì)基礎(chǔ)交通設(shè)施的建設(shè)愈發(fā)重視。在丘陵溝壑地區(qū)進(jìn)行高速公路、機(jī)場(chǎng)、土石壩建設(shè)施工時(shí)，為滿足建設(shè)高程和平順性需求，經(jīng)常需要采用高填方工程，該類工程主要具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。①填方體工程量大、施工期長(zhǎng)[1]。在丘陵地區(qū)的高填方工程中，為滿足高度需要，通常需要高填深挖，體量巨大。這不僅需要對(duì)施工時(shí)的壓實(shí)度進(jìn)行嚴(yán)格把控，也需要對(duì)分層填筑時(shí)的分層厚度進(jìn)行更為細(xì)致的劃分，因而造成施工期大幅度延長(zhǎng)。對(duì)于底部填方體而言，施工期延長(zhǎng)意味著加載時(shí)間的延長(zhǎng)，填方體施工過(guò)程相當(dāng)于分期加載，因此在分析時(shí)需考慮上部填方體自重荷載的遞增[2]。②工后沉降變形控制難。施工完成時(shí)填方體最底層與頂部落差可達(dá)數(shù)十米甚至數(shù)百米，填方體自重荷載大。在自重與外部荷載作用下，不同高度處的圍壓及應(yīng)力水平等存在巨大差異。在工后沉降逐漸完成的十余年內(nèi)，荷載作用下發(fā)生的蠕變與干濕循環(huán)作用下的濕陷等不確定因素，造成工后長(zhǎng)期沉降難以準(zhǔn)確計(jì)算與控制[3]。③地質(zhì)情況復(fù)雜。在某些地質(zhì)情況復(fù)雜的丘陵地區(qū)，當(dāng)存在軟土地基時(shí)，高填方路段的沉降包含原軟土地基的沉降以及填方體的沉降兩部分[4-5]。由于上部填方體自重大造成上覆荷載大，因此需要對(duì)原軟土地基進(jìn)行處理，保證其承載力和穩(wěn)定性[6-7]。當(dāng)軟土地基厚度較小時(shí)，可選擇淺層換填，或者直接挖除表面軟土層至穩(wěn)定基巖。

綜上所述，由于高填方工程的上述特點(diǎn)，極易出現(xiàn)沉降變形，對(duì)工程的安全性和服役性都造成不利影響，并且增加了后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)難度。本文針對(duì)高填方工程主要存在的工后沉降難以計(jì)算、預(yù)測(cè)和控制的問(wèn)題進(jìn)行調(diào)研，進(jìn)而總結(jié)其工后沉降機(jī)理、變形規(guī)律、主控因素、沉降預(yù)測(cè)模型和工后沉降控制措施。

1 高填方工程工后沉降控制要求

高填方工程普遍應(yīng)用于公路、機(jī)場(chǎng)、土石壩、地基基礎(chǔ)、邊坡等領(lǐng)域，不同行業(yè)中的高填方工程定義和沉降控制要求不同，存在一定的差異。對(duì)于高填方工程的定義與適用范圍，在公路工程和地基基礎(chǔ)工程中，《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3610—2019)[8]與《高填方地基技術(shù)規(guī)范》(GB 51254—2017)[9]均將高填方工程定義為填筑高度超過(guò)20 m的工程；而在機(jī)場(chǎng)建設(shè)中，《民用機(jī)場(chǎng)高填方工程技術(shù)規(guī)范》的適用范圍為填筑高度小于160 m的機(jī)場(chǎng)，但對(duì)于填筑高度下限并未在條文中進(jìn)行明確規(guī)定。然而，該規(guī)范的制定主要針對(duì)山區(qū)新建機(jī)場(chǎng)，并且后附的條文說(shuō)明中所列的新建機(jī)場(chǎng)填筑高度均超過(guò)20 m，因此實(shí)際依然將20 m作為適用該規(guī)范的下限值。在土石壩建設(shè)工程中，對(duì)高程和平順性要求較低，因此現(xiàn)行的《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2020)[10]中將高壩定義為超過(guò)70 m的土石壩。

以上規(guī)范對(duì)高填方的定義僅考慮了填筑高度，劉創(chuàng)明等[11]認(rèn)為在常年積水地帶使用細(xì)粒土填筑的路基工程超6 m，或其他地帶的路基填筑高度超18 m(土質(zhì))或20 m(石質(zhì))時(shí)，均應(yīng)定義為高填方工程。該定義方法更為全面，綜合考慮了地基種類，填筑材料等實(shí)際工況。

對(duì)于工后沉降控制要求，在公路工程中，現(xiàn)行規(guī)范《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTGD 30—2015)[12]中對(duì)不同路段的15年容許工后沉降要求在100～500 mm之間(表1)；在機(jī)場(chǎng)建設(shè)工程中，現(xiàn)行規(guī)范《民用機(jī)場(chǎng)巖土工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(MH/T 5027—2013)[13]中對(duì)機(jī)場(chǎng)設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的工后沉降和差異沉降略大，在200～400 mm之間(表2)；在土石壩建設(shè)工程中，土石壩工后沉降的要求與壩體高度成正比，即壩體高度越大，允許的工后沉降越大。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 274—2020)[10]，為防止沉降過(guò)大，壩頂需預(yù)留沉降超高，其中土質(zhì)防滲壩體超高值為壩體設(shè)計(jì)高度的1%。 對(duì)于100 m高的土石壩，工后沉降容許值為1 000 mm，由此可以看出公路高填方工程的工后沉降控制要求最高，土石壩最低。

表1 公路高填方路基15年容許工后沉降要求Table 1 15 years allowable post-constructionsettlement requirements 單位：mm

表2 機(jī)場(chǎng)填方工程工后沉降與差異沉降控制要求Table 2 Post-construction settlement anddifferential settlement

另外，現(xiàn)行規(guī)范應(yīng)用時(shí)還有一些不確定的問(wèn)題，如在公路高填方工程相關(guān)現(xiàn)行規(guī)范中，雖然規(guī)定了工后限定時(shí)間內(nèi)的具體沉降值，但由于無(wú)法對(duì)工程進(jìn)行長(zhǎng)期持續(xù)監(jiān)測(cè)，需應(yīng)用工后沉降公式來(lái)預(yù)測(cè)最終沉降值，但規(guī)范并未給出計(jì)算公式；此外，規(guī)范未給出工后沉降達(dá)到最終值的穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，如15～20年內(nèi)工后沉降未必達(dá)到最終值，填方體依然可能會(huì)繼續(xù)發(fā)生較大的沉降，因此工后沉降的預(yù)測(cè)尤為重要。

2 高填方工程工后沉降案例分析

表3為對(duì)高填方工程案例的總結(jié)，包括高填方路基、機(jī)場(chǎng)、堆石壩等領(lǐng)域，涉及的土體類型包括軟土及粗粒土填料。不同工程的填土類型、填方體高度、填方體上部荷載、工后沉降控制措施不同，造成其工后沉降最終值與沉降速率有很大差異[14]。另外，施工過(guò)程中的施工速率、填料壓實(shí)度以及防排水措施等都會(huì)對(duì)工后沉降造成影響[15]。

表3 高填方工程案例Table 3 Cases of high fill engineering

一般認(rèn)為填方體高度是工后沉降的主控因素，圖1為各工程案例的沉降穩(wěn)定值隨填方體高度變化情況。由圖1可知，沉降量和填方高度并沒(méi)有明顯的正相關(guān)關(guān)系，這說(shuō)明填方工程的施工質(zhì)量和控制措施對(duì)工后沉降影響較大。良好的填方工程，即使填筑高度很高，但是沉降并不大，例如承德機(jī)場(chǎng)[16]工程填方近百米，沉降只有130 mm。但如果工程措施采取不當(dāng)則會(huì)導(dǎo)致大幅沉降，例如聯(lián)七線填筑高度僅15 m[17]，其長(zhǎng)期工后沉降達(dá)到了202 mm。

圖1 不同填方高度工后沉降變化情況Fig.1 Post-construction settlement changesof different fill heights(資料來(lái)源：文獻(xiàn)[16]～文獻(xiàn)[24])

另外，以上案例的調(diào)研結(jié)果表明，影響工后沉降最主要的因素是土體類型。圖2為上述案例中不同土體類型條件下各工點(diǎn)每米沉降量的計(jì)算結(jié)果。由圖2可知，軟土地基工點(diǎn)每米產(chǎn)生的沉降值遠(yuǎn)大于巖質(zhì)填料工點(diǎn)的沉降值，其中某高速公路軟基預(yù)壓路段[18]每米沉降接近14 mm。在實(shí)際施工中，若高填方路段施工前的地表存在軟土層，會(huì)嚴(yán)重影響工后沉降的穩(wěn)定值，因此當(dāng)軟土層厚度較小時(shí)，應(yīng)盡可能挖除。

圖2 不同土類型工后沉降變化情況Fig.2 Post-construction settlement changesof different soil types(資料來(lái)源：文獻(xiàn)[16]～文獻(xiàn)[24])

3 高填方工程工后沉降機(jī)理與誘因

高填方工后沉降可以概括為荷載作用下產(chǎn)生的蠕變沉降、干濕循環(huán)產(chǎn)生的濕陷性沉降、細(xì)粒土排水產(chǎn)生的固結(jié)沉降、摻合料失水產(chǎn)生的干縮沉降[2,25-26]，可用式(1)表示。

S=Sc+Sw+Si+Sd

(1)

式中：S為總沉降；Sc為荷載作用下產(chǎn)生的蠕變沉降；Sw為干濕循環(huán)產(chǎn)生的濕陷性沉降；Si為細(xì)粒土排水產(chǎn)生的固結(jié)沉降；Sd為摻合料失水產(chǎn)生的干縮沉降。由于高填方工程的土體類型不同，式(1)中4個(gè)部分的貢獻(xiàn)不同，其中粗粒土以Sc、Sw為主；而細(xì)粒土以Si、Sd為主。

3.1 粗粒土高填方工程工后沉降機(jī)理

粗粒土填料所含黏性成分少，內(nèi)部孔隙通常較大，這意味著排水固結(jié)沉降在較短時(shí)間內(nèi)即可完成[2]。因此，對(duì)于粗粒土填料，其長(zhǎng)期工后沉降主要由Sc和Sw兩部分組成，可表示為式(2)。

S=Sc+Sw

(2)

首先，粗粒土在上部荷載作用下發(fā)生顆粒破碎，破碎之后產(chǎn)生的細(xì)粒沿著新生成的大孔隙移動(dòng)，同時(shí)引起應(yīng)力重分布，產(chǎn)生常規(guī)蠕變沉降。其次，工后十余年中，晴雨循環(huán)、河水反復(fù)升降所引起的干濕循環(huán)，季節(jié)變化、晝夜更替所引起的溫度循環(huán)等外部因素產(chǎn)生濕陷沉降。王?？〉萚25]認(rèn)為由干濕循環(huán)造成的濕陷性沉降是工后沉降最主要的組成部分，經(jīng)過(guò)河水或雨水的反復(fù)浸潤(rùn)，導(dǎo)致土體顆粒接觸面的抗剪強(qiáng)度降低，打破原有的顆粒平衡，引起剪切破壞，從而誘發(fā)較大濕陷沉降。

3.2 細(xì)粒土高填方工程工后沉降機(jī)理

對(duì)于細(xì)粒土填料，其長(zhǎng)期工后沉降主要由Si組成，即式(3)。

S=Si

(3)

軟土類型的土體，顆粒之間孔隙小，所含黏性成分較多，使得排水固結(jié)沉降延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。當(dāng)土體飽和時(shí)，在上部荷載作用下，將產(chǎn)生超靜孔隙水壓力。 施工完成后，隨著孔隙水緩慢排出，超靜孔隙水壓力逐漸消散，孔隙體積逐漸減小，進(jìn)而產(chǎn)生固結(jié)沉降。

另外，當(dāng)細(xì)粒土填料的強(qiáng)度不符合規(guī)范要求時(shí)，需添加摻合料(如水泥、瀝青等)對(duì)填料土體進(jìn)行改良。填料所在的環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，摻合料中的水分蒸發(fā)過(guò)多，失水干燥，會(huì)引起其體積收縮甚至開裂，從而產(chǎn)生干縮沉降[26]。因此，對(duì)于細(xì)粒改良土，其高填方工后沉降以干縮沉降為主。

4 高填方工程工后沉降預(yù)測(cè)方法

高填方工程的工后長(zhǎng)期沉降觀測(cè)成本高、周期長(zhǎng)。因此，對(duì)高填方工程的工后沉降進(jìn)行計(jì)算和預(yù)測(cè)非常重要，也是目前研究的重點(diǎn)內(nèi)容。目前高填方工程工后沉降的計(jì)算和預(yù)測(cè)方法，主要包括以下幾個(gè)類型。

4.1 細(xì)粒土高填方工程工后沉降計(jì)算理論模型

對(duì)于軟土而言，目前計(jì)算飽和土體在荷載作用下固結(jié)沉降的理論較為完善，以太沙基固結(jié)理論為基礎(chǔ)，通過(guò)理論推導(dǎo)，可以得到工程中實(shí)用的簡(jiǎn)便計(jì)算方法。現(xiàn)行規(guī)范《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)[27]中，基于一維壓縮理論給出了分層總和法的簡(jiǎn)化計(jì)算公式見式(4)。

(4)

式中：ψs為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；S′為分層總和法計(jì)算的地基沉降量；n為劃分的土層數(shù)；P0為基底附加應(yīng)力；Es為壓縮模量；zi為第i層至基底距離；ai為第i層平均附加應(yīng)力系數(shù)。

式(4)的方法沉降計(jì)算結(jié)果受沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取值的影響很大，實(shí)際應(yīng)用的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)存在較大的誤差。為此，魏汝龍[28]曾提出一種基于EC-p曲線的地基沉降計(jì)算方法。ε-p曲線近似于雙曲線，因此ε/p-p曲線可以近似看作直線，ε/p即為ε-p曲線的割線模量(EC)，該直線方程見式(5)。

EC=E0+mp

(5)

將式(5)代入沉降計(jì)算公式，即可得最終公式，見式(6)。

Si=(P2/EC1-P1/EC1)ΔH=

E0ΔPΔH/[(E0+mP1)(E0+mP2)]

(6)

式中：m為EC-p曲線的斜率；E0為初始模量；ΔH為土體高。

魏汝龍[28]提出的上述割線模量法雖然與分層總和法所需試驗(yàn)數(shù)據(jù)相同，但計(jì)算誤差相對(duì)較小。此后，丁洲祥等[29]從壓縮變形機(jī)理著手，對(duì)割線模量法進(jìn)行了改進(jìn)，在進(jìn)行計(jì)算時(shí)引入了修正系數(shù)α，計(jì)算見式(7)。

a=(1+eA)/(1+e0)

(7)

式中：eA為A點(diǎn)孔隙比；e0為初始孔隙比。

將式(7)帶入沉降計(jì)算公式中可得式(8)。

Si′=Si/α

(8)

式中，Si′為改進(jìn)后的沉降值。

該方法不再將ε-p曲線近似看作雙曲線，計(jì)算結(jié)果比改進(jìn)前更精確。

4.2 粗粒土高填方工程工后沉降估算經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

對(duì)于粗粒土填料工程，尚缺少相關(guān)的理論計(jì)算模型。為此，實(shí)際工程中多采用工程類比法，通過(guò)借鑒其他高填方工程(如某些已完工的堆石壩、機(jī)場(chǎng)、路基等)的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)預(yù)測(cè)工后沉降。此類方法主要基于前期的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)或室內(nèi)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行[30-31]，數(shù)據(jù)越詳實(shí)測(cè)量周期越長(zhǎng)，則預(yù)測(cè)結(jié)果越趨于精確[32]。此類方法在堆石壩設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多，其中具有代表性的工作如下所述。

1) 傅志安[33]認(rèn)為在河谷形狀近似情況下，可采用式(9)類比。

S2=(H2/H1)2×(E1/E2)×S1

(9)

式中：S2為未建大壩的沉降預(yù)測(cè)值；S1為已建大壩的沉降觀測(cè)值；E2為未建大壩的變形模量；E1為已建大壩的變形模量；H2為未建大壩的壩高；H1為已建大壩的壩高。該公式計(jì)算簡(jiǎn)單，使用方便，但僅考慮了壩高與壩體材料的變形模量，并未考慮河流水位、時(shí)間等的影響。

2) 顧慰慈[34]將堆石壩總沉降分為施工期沉降與運(yùn)用期沉降。根據(jù)哥以奇壩等8座堆石壩的沉降觀測(cè)值，得到施工期沉降預(yù)測(cè)近似公式見式(10)。

S0=0.149 6H1.646

(10)

式中：S0為施工期沉降；H為堆石壩高度。該公式的施工期沉降預(yù)測(cè)值僅與壩體高度有關(guān)，且僅僅適用于碾壓法及振動(dòng)碾壓法施工的堆石壩，有一定的局限性。此外，對(duì)于運(yùn)行期沉降，顧慰慈根據(jù)國(guó)外63座堆石壩的實(shí)測(cè)沉降資料，采用回歸分析方法進(jìn)行研究，得到沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式見式(11)。

(11)

式中：St為堆石壩運(yùn)行t年后的沉降量；H為壩高；t為自堆石壩開始運(yùn)行時(shí)算起的年數(shù)；K、n、m為系數(shù)，與壩型有關(guān)。式(11)為回歸分析之后得到的指數(shù)型函數(shù)，考慮了壩高、壩型以及時(shí)間等影響，分析因素較為全面。

3) 閆生存等[35]認(rèn)為高面板堆石壩施工時(shí)通常分多期進(jìn)行澆筑，蓄水高度與澆筑進(jìn)程同步進(jìn)行，故對(duì)下部填筑體而言，填筑高度與水壓處于動(dòng)態(tài)變化之中，預(yù)測(cè)沉降量時(shí)需考慮這部分分量，并通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析提出式(12)。

(12)

式中：S0為漏測(cè)沉降量；HD為填筑高度；h為水壓分量；t為時(shí)間；A、B、α、β、δ、η為統(tǒng)計(jì)參數(shù)。式(12)考慮的因素較為全面，但需要應(yīng)用已有成功施工經(jīng)驗(yàn)與大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，且計(jì)算過(guò)程較為復(fù)雜。

RAKSIRI等[36]認(rèn)為堆石壩沉降與壩體形狀有關(guān)，并根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)提出經(jīng)驗(yàn)公式見式(13)和式(14)。

S=a-b×cSβ

(13)

(14)

式中：A為混凝土面板面積；H為壩體高度；β為壩坡仰角；a、b和c為常數(shù)且分別取值為16.49、28.45和0.42。

4.3 高填方工程工后沉降數(shù)值模擬計(jì)算方法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以固結(jié)理論為基礎(chǔ)的有限元軟件應(yīng)運(yùn)而生，如Midas軟件、Plaxis3D軟件、Comsol軟件等。相比于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，借助這些有限元軟件可以開展高填方工程工后沉降的數(shù)值模擬計(jì)算[37-43]。這類方法對(duì)計(jì)算細(xì)粒土排水產(chǎn)生的固結(jié)沉降Si較為成熟可靠，但是需借助室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)得建立模型所需的參數(shù)，參數(shù)的準(zhǔn)確性對(duì)數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

近年來(lái)，該方法在蠕變計(jì)算方面也取得了一定的突破[44]。姚仰平等[45]推導(dǎo)出了高填方工程蠕變沉降實(shí)用本構(gòu)模型，可用于蠕變問(wèn)題的有限元計(jì)算。該模型將填方體與原地基看作一個(gè)整體，簡(jiǎn)化邊界條件，忽略側(cè)向變形，在考慮時(shí)間效應(yīng)的UH模型中引入彈性壓縮線，可得最終計(jì)算模型見式(15)。

(15)

式中：S0為單位蠕變量，S0=1 mm；hf為無(wú)量綱參數(shù)，反映土體超固結(jié)程度；Ct為無(wú)量綱參數(shù)，反應(yīng)蠕變速度；A為過(guò)渡參數(shù)；t為蠕變時(shí)間；t0為無(wú)量綱參數(shù)，t0=1 d。該模型成功應(yīng)用于承德機(jī)場(chǎng)工后沉降計(jì)算分析，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合良好。

針對(duì)式(1)有另外兩項(xiàng)變形，即干濕循環(huán)產(chǎn)生的濕陷性沉降Sw和填料失水產(chǎn)生的干縮沉降Sd，目前數(shù)值模擬計(jì)算方法尚缺少成熟的方法，未能在高填方工程獲得成功應(yīng)用，是未來(lái)值得努力的方向，主要的問(wèn)題是缺少相應(yīng)的本構(gòu)模型和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4.4 基于回歸分析和人工智能的高填方工程工后沉降預(yù)測(cè)

根據(jù)已測(cè)得的短期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，以預(yù)測(cè)長(zhǎng)期工后沉降，簡(jiǎn)單直觀且方便實(shí)用。 在高填方工程的工后沉降監(jiān)測(cè)方面，隨著科技的進(jìn)步，監(jiān)測(cè)方式也日新月異，例如EMADALI等[46]使用TerraSAR-X聚光雷達(dá)影像分析了伊朗某堆石壩的工后沉降變形。

常用的方法有冪函數(shù)法、Asaoka法、指數(shù)法、雙曲線法、對(duì)數(shù)法等[47-50]。SIMES等[51]對(duì)巴西某垃圾填埋場(chǎng)進(jìn)行沉降預(yù)測(cè)時(shí)，借助流變模型與雙曲線模型計(jì)算最終沉降值。通過(guò)對(duì)比沉降實(shí)測(cè)值發(fā)現(xiàn)，這兩種模型均明顯低估了沉降值，準(zhǔn)確性不高。魏道凱等[52]基于武漢天河機(jī)場(chǎng)高速公路的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析了雙曲線法、指數(shù)法和Asaoka法三種方法，發(fā)現(xiàn)指數(shù)法精度最高。劉兵[53]在同一工程案例中將曲線擬合法及FLAC3D數(shù)值模擬法進(jìn)行對(duì)比分析，得出指數(shù)法誤差最小的結(jié)論。

近年來(lái)，人工智能預(yù)測(cè)模型發(fā)展迅速，也在高填方工程的工后沉降預(yù)測(cè)上取得了一些突破，代表性的工作主要有以下幾個(gè)模型。

1) 灰色理論預(yù)測(cè)模型。王祿洲等[54]在進(jìn)行昔格達(dá)層高填方路基沉降預(yù)測(cè)時(shí)，分別使用了曲線擬合法和灰色系統(tǒng)法。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，這兩種方法與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合良好，可為類似工程提供借鑒。有學(xué)者基于太原市太行路閻家峰路段的高填方路段實(shí)測(cè)資料，運(yùn)用灰色理論建立均值GM(1，1)模型，對(duì)施工期沉降和工后沉降分別進(jìn)行預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，該模型特別適用于對(duì)工后沉降的長(zhǎng)時(shí)間預(yù)測(cè)。馮國(guó)建[55]進(jìn)行沉降預(yù)測(cè)時(shí)使用灰色理論，建立不等時(shí)距殘差GM(1，1)模型和灰色Verhulst模型兩種模型，對(duì)沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行比較。結(jié)果表明，兩種預(yù)測(cè)曲線與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線吻合良好。

2) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型。KIM等[56]建立了預(yù)測(cè)堆石壩壩頂相對(duì)沉降的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，該模型使用來(lái)自7個(gè)國(guó)家的30個(gè)工程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠較好地預(yù)測(cè)不同工況下的堆石壩工后沉降。然而高填方路基的工后沉降受到多因素的綜合影響，且變形持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，預(yù)測(cè)結(jié)果與十余年后的實(shí)際工后沉降仍存在一定偏差。人工智能預(yù)測(cè)模型在這方面雖然具有較強(qiáng)的潛力，但是受制于目前的數(shù)據(jù)積累水平，人工智能預(yù)測(cè)模型尚未超越傳統(tǒng)方法所能獲得的精度，要想繼續(xù)發(fā)展人工智能預(yù)測(cè)模型必須做好長(zhǎng)期觀測(cè)、數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)庫(kù)建設(shè)等工作。

5 高填方工程工后沉降控制措施

為了減少高填方工程的工后沉降變形，需要采取針對(duì)性的施工工藝，必要時(shí)還需對(duì)軟土填料進(jìn)行處理。目前，施工中最常用的變形控制方法主要包括以下幾種。

1) 做好防排水設(shè)施。工后沉降的產(chǎn)生與土體中的含水量關(guān)系密切，防排水措施對(duì)于減小工后沉降尤為重要。工程中需要采用坡面防水與填方體排水相結(jié)合的水分控制技術(shù)，保持粗粒土路基填料的干燥。目前，施工技術(shù)較為成熟且常用的防水、排水措施包括以下幾方面。①坡面防水以阻止地表水入滲為主，配合盲溝、急流槽、截水溝以及地表排水管道系統(tǒng)等排水設(shè)施[57-60]。吳羊[60]提出一種新型水分控制技術(shù)，即利用毛細(xì)阻滯覆蓋層，來(lái)防止地表水下滲，如圖3所示。該技術(shù)基于非飽和土滲流理論，采用細(xì)粒土上覆于粗粒土形成毛細(xì)阻隔帶，通過(guò)粗粒土、細(xì)粒土之間的基質(zhì)吸力差阻滯地表水的入滲。對(duì)于堆石壩的防水排水，寬級(jí)配礫質(zhì)土目前已較為常用。 史新等[61]通過(guò)試驗(yàn)研究認(rèn)為細(xì)粒含量30%～40%時(shí)，其防水效果最佳。

圖3 毛細(xì)阻滯覆蓋層Fig.3 Capillary blocking coating

②為保持粗粒土填料干燥，需進(jìn)行填方體內(nèi)部排水。工程中一般使用水平砂墊層以及豎向的排水結(jié)構(gòu)。此外，也可采用一種新型排水材料(即毛細(xì)透排水管)。這是近年我國(guó)臺(tái)灣技術(shù)人員開發(fā)的一種新型排水材料，其排水通道橫截面形如字母“Ω”，不僅能主動(dòng)排水，還能有效防止土顆粒流失[62-64]。延安新區(qū)位于黃土丘陵溝壑區(qū)，經(jīng)常會(huì)遇到高填方工程，地質(zhì)情況復(fù)雜，且由于黃土的濕陷性，需嚴(yán)格控制地下水以及地表水入滲的影響?；诖祟悘?fù)雜工況下的高填方工程，有學(xué)者提出“三面二體一水”控制論。該控制理論緊緊圍繞易發(fā)生工后沉降的六個(gè)敏感要素，即填筑體頂面、側(cè)臨空面、填挖交接面(三面)，填筑體、原地基體(二體)，地下水與地表水及其相互轉(zhuǎn)化(一水)，如圖4所示。在實(shí)際施工中，對(duì)這六個(gè)關(guān)鍵部位的施工質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制，則整個(gè)復(fù)合系統(tǒng)的工后沉降便可得到有效控制。

圖4 “三面二體一水”示意圖Fig.4 Schematic diagram of “three sides,two bodies and one water”

2) 細(xì)致進(jìn)行土體壓實(shí)工作，減少土體壓縮性。填方體壓縮性越大，其工后沉降越多，由于高填方工程上覆荷載較大，因此對(duì)壓實(shí)工作提出了更高的要求。常用方法有分層填筑法、自然固結(jié)法、沖擊碾壓補(bǔ)強(qiáng)法、真空預(yù)壓法等[65-66]。提高施工期的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制施工期沉降措施才是能從根本上解決問(wèn)題。如果在運(yùn)營(yíng)期出現(xiàn)工后沉降過(guò)大的問(wèn)題，可以采取換填土法、布設(shè)土工格柵法、灌漿法等[67-69]等方法進(jìn)行補(bǔ)救。

3) 必要時(shí)需對(duì)軟土填料進(jìn)行處理。當(dāng)高填方路段存在軟土地基時(shí)，需對(duì)軟土地基進(jìn)行加固處理，以保證原地基的承載能力。當(dāng)軟土層厚度較小時(shí)，可進(jìn)行直接換填或挖除[70]；當(dāng)軟土層較厚時(shí)，常用處理方法有強(qiáng)夯補(bǔ)強(qiáng)法、強(qiáng)夯置換法、CFG樁、碎石樁法、真空預(yù)壓法、超載預(yù)壓法等[71-76]。在沿海地區(qū)，軟土層通常較厚，受海水潮汐引起的干濕循環(huán)影響大，且力學(xué)性質(zhì)較差，通常需要高樁加固地基，例如荷蘭的Reeuwijk沿海公路路基[77]。

6 結(jié) 語(yǔ)

隨著高填方路基、機(jī)場(chǎng)、堆石壩等工程的大量修筑，施工技術(shù)趨于成熟，為此后高填方工程的修建積累了大量經(jīng)驗(yàn)。如果采取合理的措施，可以將高填方工程的工后沉降控制到容許范圍之內(nèi)。但是如果低估工后沉降的嚴(yán)重性，未采取針對(duì)性措施，高填方工程的工后沉降將非?？捎^，影響到構(gòu)筑物的安全運(yùn)行。

對(duì)于高填方工程，土體類型是影響其工后沉降的主控因素。對(duì)于細(xì)粒土高填方工程而言，沉降變形主要來(lái)源于固結(jié)變形和干縮變形。目前，對(duì)于固結(jié)變形已有較成熟的計(jì)算理論和方法，但是對(duì)于干縮變形尚缺少相應(yīng)的計(jì)算理論和方法，是未來(lái)努力的重點(diǎn)。對(duì)于粗粒土高填方工程而言，變形主要來(lái)源于蠕變變形和濕陷變形。其中，蠕變變形計(jì)算近年取得了突破，但是對(duì)于濕陷變形，目前尚缺少合理的計(jì)算模型和方法，是有待攻克的一個(gè)難題。另外，在高填方工程工后沉降預(yù)測(cè)方面，近年經(jīng)驗(yàn)方法和人工智能方法都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，積累了一定的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。其中人工智能方法在高填方工程工后沉降預(yù)測(cè)方法具有較大的潛力，但是面臨著數(shù)據(jù)積累不足的問(wèn)題，模型潛力無(wú)法充分發(fā)揮和挖掘的困難。