公路高填方路基沉降分析與預測

摘要：針對高填方路基沉降問題，文章對強夯處治后的路基采用現場沉降監(jiān)測和有限元模擬計算兩種方式進行研究，對比分析試驗段兩個監(jiān)測斷面路基坡腳和路基中心處的沉降實測值和計算值，得出有限元計算結果較為準確，可用于指導現場施工。同時，采用有限元法結合生長曲線法對路基沉降進行預測，得出路基完工后沉降逐步達到了穩(wěn)定狀態(tài)。

關鍵詞：高填方路基；沉降；強夯法；有限元；預測

中圖分類號：U416.1+1 A 29 093 2

0 引言

我國很多高速公路修建在山嶺重丘區(qū)，其路基結構常采用高填方路堤。由于地形復雜，地基承載能力差異大［1］，高填方路堤很容易產生差異沉降變形。高填方路堤施工過程中，必須采取有效措施進行加固處治，提高地基承載力和路堤壓實質量，控制路堤沉降。強夯法是將重錘提升到一定高度，以自由落體的方式夯擊土體［2］，使土體迅速固結，降低土體的壓縮性，提高密實度和強度。采用有限元模擬分析計算路基填土的沉降量［3］，并結合生產曲線法［4］對高路堤沉降進行預測，分析確定路堤的穩(wěn)定性。本文以某高速公路高填方路堤施工為研究背景，采用有限元法模擬計算高路堤的沉降量，與現場監(jiān)測結果進行對比分析，并結合生長曲線法對高路堤工后沉降進行預估，力爭為山嶺重丘區(qū)高路堤施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程概況

某高速公路穿過山嶺重丘區(qū)，沿線地形起伏大，有多處高填方和深路塹。高速公路采用雙向四車道設計，最大行車速度為120 km/h，最低行車速度為80 km/h，路基設計寬度為28 m。取K40+068～K40+136為試驗段，路基設計寬度為28 m，該路段屬于侵蝕構造，地形條件較復雜，低山且溝谷狹窄。溝谷和臺地地區(qū)均上覆亞黏土和碎石，厚度約為4～13 m，為殘坡積碎石土地基。試驗段路基采用高填方路堤，填方高度為20～25 m。采用土石混填路基，高填方路基填料主要采用挖方段和隧道洞渣等松散粒狀材料，在路基自重和其他荷載作用下會使路基產生一定程度的水平位移和豎向位移。由于路堤填筑高度、地基承載能力存在一定的差異，路基各部分沉降變形也存在一定的差異。由于填方路堤的抗拉強度較低，在拉伸應變區(qū)很容易產生變形開裂。試驗段地基起伏較大，局部路基與涵洞交接，填方高度大，容易產生較大的差異沉降。

1.2 強夯加固方案

為提高路基壓實質量，有效控制路基沉降，在試驗段采用強夯法進行加固。強夯法施工方案如下：

（1）夯擊能。

該項目所選強夯夯錘重量為25 t，點夯落距為6 m，夯擊能為1 500 kN·m，滿夯落距為3.6 m，夯擊能為900 kN·m。

（2）夯點布置。

夯點布置間距為4 m，按梅花型布置，如圖1所示。

（3）夯擊遍數。

路基強夯遍數為3遍，其中點夯兩遍，滿夯1遍，滿夯夯印重疊1/4。第一遍夯擊完成后，推土機整平后即可進行第二遍施工。單個夯點最后兩擊點夯平均夯沉量≤5 cm，滿夯夯沉量≤2 cm，即可停止施工。夯擊后檢測路基壓實度，壓實度要求0～200 cm的深度范圍≥94%；200～500 cm的深度范圍≥93%。

2 高填方路基沉降分析

2.1 高填方路基沉降分析方法

為確定高填方路基沉降變形趨勢，采用現場監(jiān)測法和有限元法兩種方法開展研究。通過對比分析確定有限元法計算結果的準確性，對計算參數進行調整，為下一步路基沉降預測做準備。

2.1.1 現場監(jiān)測法

分別在路基坡腳和路基中心埋設沉降板，對路基施工過程中地基沉降量進行監(jiān)測。總結路基沉降變形規(guī)律，確定路面施工時間。在K40+068～K40+136試驗段，路堤填筑高度為20～25 m，選取K40+070、K40+095、K40+120三個監(jiān)測斷面，其中K40+070、K40+095斷面位于涵洞的兩側，距涵洞分別為5 m和10 m。每個監(jiān)測斷面分別在路基坡腳和路基中心布置一個沉降板。

沉降板埋設后，每填筑兩層路基填料開展一次沉降觀測，停工期間每周觀測1次。如連續(xù)兩次沉降量均＜1 cm，可調整監(jiān)測頻率為每填筑3層開展一次沉降觀測，停工期間每15 d觀測1次。

公路高填方路基沉降分析與預測/吳永妍

2.1.2 有限元法

有限元法是將路基劃分為若干網格，形成離散體結構，模擬路基上部的荷載作用分析路基的位移和應力。本文采用有限元軟件建立路基模型，主要對路基的豎向位移進行計算。將地基土和路基填料看作彈塑性材料，構建理想彈塑性本構模型。采用p1ane42單元，按照平面應變問題對路基沉降進行計算。路基沉降計算假定路堤足夠長、路基土各向同性、地基已固結，地基底面水平和垂直均受約束，地基兩側水平方向受約束。另外，在計算過程中不考慮溫度變化的影響。

2.2 路基沉降計算與監(jiān)測結果分析

路基沉降現場監(jiān)測時間為360 d，按現場路基填筑施工進行模擬分級加載，利用有限元軟件計算路基沉降。試驗段路基設計寬度為28 m，填筑高度為22 m，地基計算深度取20 m。選取涵洞一側的K40+095斷面和K40+120斷面作為研究對象，統(tǒng)計路基現場沉降監(jiān)測與計算結果，繪制沉降變化曲線如圖2和圖3所示。

分析圖2、圖3可知，隨路基填筑高度的增加路基沉降量隨之增加，且施工期間沉降速率較高，填筑完成后沉降速率明顯下降。K40+095斷面在監(jiān)測完成后路基中心和坡腳處的沉降量分別為17.23 mm和9.71 mm。其中，施工期間沉降量為14.42 mm和7.25 mm；工后沉降量為2.81 mm和2.46 mm。K40+120斷面在監(jiān)測完成后路基中心和坡腳處的沉降量分別為21.07 mm和12.85 mm，其中，施工期間沉降量為16.91 mm和9.69 mm；工后沉降量為4.16 mm和3.16 mm。K40+095斷面沉降量較K40+120斷面沉降量略大，分析原因是K40+095斷面較靠近涵洞導致。兩個監(jiān)測斷面路基沉降量計算值十分接近，且計算值略低于實測值，說明有限元計算結果準確率較高，可用于指導現場施工。

3 路基沉降量預測

路基沉降變形發(fā)展過程與生長曲線類似，隨著填筑高度的增加，地基上部附加應力不斷增加，路基沉降量也不斷增加，沉降速率也不斷提升，填筑完成后地基上部附加應力逐步穩(wěn)定，沉降量和沉降速率不斷縮小，并逐步趨于穩(wěn)定。因此，采用有限元與生產曲線法相結合，對路基工后沉降進行預測，生長曲線計算公式如式（1）所示：

y（t）=L1+ae-bt（1）

式中：a、b——參數；

L——路基的最終沉降量。

根據上述對比，有限元計算結果較準確，采用有限元軟件計算預測路基最終沉降量。取完工后路基沉降計算結果進行數據擬合，得出路基中心處和路基坡腳位置沉降量計算公式。K40+095斷面沉降預測按式（2）和式（3）計算，式中時間t從路基開始填筑施工時算起：

y（t）=21.1 8431+0.900 28e-0.010 09 t（2）

y（t）=12.9 2411+1.112 60e-0.008 42 t（3）

K40+120斷面沉降預測按式（4）和式（5）計算：

y（t）=17.6 8241+1.057 51e-0.009 54 t（4）

y（t）=10.1 4521+1.722 93e-0.009 56 t（5）

自路基填筑完工后進行計算，時間間隔為30 d，預測時間段為自路堤填筑完成（150 d）至完工后3年（1 080 d），K40+095、K40+120斷面路基坡腳和路基中心沉降預測結果如后頁圖4和圖5所示。

分析圖4可知，在完工約360 d以后，路基坡腳和路基中心逐步達到穩(wěn)定狀態(tài)，1 080 d時路基中心和坡腳位置的沉降預測值分別為21.183 9 mm和12.923 4 mm，與最終沉降量21.184 3 mm和12.9241 mm十分接近，可認為路基結構已經達到了穩(wěn)定狀態(tài)。

分析圖5可知，在完工約360 d以后，路基坡腳和路基中心逐步達到穩(wěn)定，1 080 d時路基中心和坡腳位置的沉降預測值分別為10.144 6 mm和17.681 8 mm，與最終沉降量10.145 2 mm和17.682 4 mm十分接近，可認為路基已達到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結語

依托高速公路高填方路基施工案例，采用現場監(jiān)測與有限元數值模擬分析結合的方法對路基沉降進行研究，并采用有限元法結合生長曲線法對路基沉降進行預測，得出以下結論：

（1）路基施工期間路基坡腳和路基中心位置沉降增速較大，這是由于施工荷載作用、路基自重荷載不斷增加造成的，完工后沉降逐步穩(wěn)定，且工后沉降量較小。

（2）有限元數值模擬計算結果略低于現場實測結果，但二者十分接近，說明有限元計算結果準確，可用于指導施工。

（3）根據K40+095、K40+120斷面路基坡腳和路基中心預測結果得出，360 d后路基逐步達到穩(wěn)定狀態(tài)，1 080 d路基沉降預測值與最終沉降值已十分接近，說明路基結構已穩(wěn)定。

參考文獻

［1］陳雪朋.高速公路路基拼寬工程中路基沉降分析［J］.內蒙古公路與運輸，2022（3）：34-38.

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［3］王司帆.高速公路路基沉降及施工技術分析［J］.四川建材，2022，48（4）：161-162.

［4］張軍輝，周劍坤，周 平.軟土地區(qū)高速公路路基沉降監(jiān)測及預測分析［J］.公路與汽運，2020（3）：64-68.

收稿日期：2023-07-06