路堤填土荷載下斜坡軟弱土地基沉降變形特性試驗(yàn)分析

山區(qū)路基工程施工中常遇斜坡軟弱土地基，在上部路堤填土荷載作用下，其變形十分復(fù)雜。針對(duì)某高填方路堤斜坡軟弱土地基現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試工點(diǎn)，通過布設(shè)地基豎向沉降及下坡一側(cè)坡腳附近地基深層水平變形傳感裝置，開展了隨路堤填筑過程的地基長(zhǎng)期沉降變形觀測(cè)及工程安全監(jiān)控。試驗(yàn)表明：（1）斜坡軟弱土地基豎向沉降與水平變形在路堤填筑施工期內(nèi)發(fā)展較快，填土荷載施加完成后的放置期則逐漸減緩并趨于穩(wěn)定；（2）受路堤填土下滑力影響，地基最大水平側(cè)移發(fā)生在下坡一側(cè)，地表處較大，沿深度逐步減小；（3）斜坡軟弱土地基沉降變形時(shí)間歷程曲線具有良好的雙曲線函數(shù)變化趨勢(shì)，預(yù)測(cè)工后20年沉降約為36.1 mm，為路堤高度的2.78‰；（4）斜坡軟弱土地基的水平變形明顯大于豎向沉降，速率也較大，保證工程安全應(yīng)嚴(yán)格控制下坡一側(cè)路堤坡腳附近的水平變形不超過規(guī)定閾值。

路基工程； 高路堤填筑； 斜坡軟弱土地基； 豎向沉降； 水平變形

U416.1+2 A

［定稿日期］2022-06-15

［作者簡(jiǎn)介］蘇敬強(qiáng)（1970—），男，高級(jí)工程師，主要從事鐵路工程建設(shè)管理工作。

在山嶺丘陵地區(qū)的山間溝谷地帶，由地表水流攜帶巖石風(fēng)化物和土壤有機(jī)質(zhì)沉積形成的軟弱土較為普遍。這類軟弱土分布不均勻且有機(jī)質(zhì)含量較高［1］，通常呈現(xiàn)為地表或底部?jī)A斜，因此被統(tǒng)稱為斜坡軟弱土。鐵路或公路工程采用路基填方形式通過山間溝谷地帶時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到斜坡軟弱土路基問題。因此，研究路堤自重作用下的斜坡軟弱土地基工程力學(xué)特性，尤其是豎向沉降和水平變形特性，對(duì)山區(qū)路基工程的安全建造具有重要指導(dǎo)意義。

魏永幸［2］指出，路堤荷載在水平軟基中產(chǎn)生的附加應(yīng)力集中在中部附近，而在斜坡軟基中則集中于下坡坡腳附近；在路堤填土的重力荷載基本相同條件下，斜坡軟基中附加應(yīng)力出現(xiàn)非對(duì)稱分布規(guī)律，路堤下坡一側(cè)存在壓力集中現(xiàn)象，高于水平軟基，易引發(fā)側(cè)滑失穩(wěn)。林育梁等［3］認(rèn)為，地面存在橫坡，路堤填土荷載偏心作用明顯，且偏向下坡一側(cè)，增加了路堤結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)。目前，關(guān)于斜坡軟弱土地基在路堤填土荷載作用下的豎向沉降和水平位移變化規(guī)律及引發(fā)的側(cè)滑穩(wěn)定性問題的關(guān)注需進(jìn)一步加強(qiáng)，尤其開展現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期測(cè)試并進(jìn)行系統(tǒng)分析對(duì)工程安全意義重大。

為此，結(jié)合某典型斜坡軟弱土地基高填方路基工程建造試驗(yàn)工點(diǎn)，根據(jù)工程地質(zhì)和環(huán)境條件、施工工藝及施組計(jì)劃，結(jié)合工程填筑過程埋設(shè)地基豎向沉降和水平變形觀測(cè)傳感裝置，進(jìn)行施工填筑荷載與地基沉降變形隨時(shí)間的變化觀測(cè)，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，討論了斜坡軟土地基豎向沉降、水平變形在路堤填筑施工期與施工完成后的變化規(guī)律及空間分布特征，基于雙曲線函數(shù)法預(yù)測(cè)了斜坡軟土地基的工后沉降，分析了下坡一側(cè)路堤坡腳附近測(cè)斜管及邊樁水平變形與路堤填方工程施工安全的關(guān)系。研究成果對(duì)提高我國山區(qū)鐵路和公路工程斜坡軟土路基建造技術(shù)具有指導(dǎo)意義。

1 測(cè)試方案及設(shè)計(jì)

1.1 工點(diǎn)概況

測(cè)試工點(diǎn)區(qū)段的線路以路堤形式通過山間溝谷地帶的斜坡軟弱土地基。地表往下6.0～9.0 m區(qū)域內(nèi)為低液限黏土，呈軟塑狀，物理力學(xué)指標(biāo)見表1。下伏力學(xué)性質(zhì)良好、承載力高的強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾砂巖。典型橫斷面的路基中心填高為13.0 m，路基頂面寬度為24.5 m，在邊坡路肩以下8.0 m處設(shè)置2.0 m寬臺(tái)階，臺(tái)階之上邊坡坡度1∶1.5，之下為1∶1.75，斜坡軟弱土地基進(jìn)行清表后設(shè)置碎石墊層厚0.5 m，如圖1所示。

1.2 測(cè)試內(nèi)容及方法

1.2.1 地基豎向沉降

采用鉆孔埋設(shè)單點(diǎn)沉降計(jì)量測(cè)斜坡軟弱土地基在路堤作用下的豎向沉降。具體布設(shè)于路基面中心及兩側(cè)路肩的正下方，孔底深入地基的基巖中不動(dòng)層，孔頂位于路堤的基底，通過沉降計(jì)讀數(shù)變化反映地表相對(duì)于基巖的下沉量。

單點(diǎn)沉降計(jì)的埋設(shè)流程為：采用地質(zhì)鉆鉆孔進(jìn)入基巖層1.0 m—安裝并固定單點(diǎn)沉降計(jì)—用中粗砂填滿孔中空隙—將導(dǎo)線牽至斷面坡腳以外并集中保護(hù)—在填筑路堤之前采集初始值。

1.2.2 地基水平變形

在軟基下坡一側(cè)路堤坡腳處鉆孔安裝鋁合金測(cè)斜管，用以測(cè)試路堤坡腳處地基不同深度處的水平變形。

測(cè)斜管的埋設(shè)流程為：采用地質(zhì)鉆鉆孔進(jìn)入基巖層4.0 m—置入測(cè)斜管—用水泥漿充填測(cè)斜管與鉆孔孔壁間的空隙—在測(cè)斜管管口處砌筑保護(hù)坑—在填筑路堤之前采集初始值（圖1）。

1.3 觀測(cè)頻次及傳感器埋設(shè)

斜坡軟土地基上進(jìn)行高填方路堤施工存在較大側(cè)滑失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)，路基填筑期及工后的變形觀測(cè)頻率在符合施工技術(shù)規(guī)程的基礎(chǔ)上，還應(yīng)滿足表2的要求。

路堤底部的墊層填筑完成，且填筑至距地表約1.0 m時(shí)，開始按圖1所示位置鉆孔埋設(shè)3個(gè)單點(diǎn)沉降計(jì)和1根測(cè)斜管，孔底深入下臥強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾砂巖層，每孔長(zhǎng)約12.5 m。埋設(shè)完成后繼續(xù)填筑路堤。單點(diǎn)沉降計(jì)安裝過程如圖2所示。

2 測(cè)試數(shù)據(jù)及分析

不同時(shí)刻的路堤填筑高度、路基面正下方地基沉降及下坡坡腳處地表水平位移等觀測(cè)值如表3所示。圖3所示為路堤填土高度-地基豎向沉降-時(shí)間關(guān)系曲線，圖4所示為下坡一側(cè)路堤坡腳附近測(cè)斜管水平變形隨路堤填土高度及時(shí)間沿地基深度變化曲線，圖5所示為路堤填筑高度-下坡一側(cè)路堤坡腳附近地表水平位移-時(shí)間關(guān)系曲線。需要說明的是，上述圖表中的地基沉降值均為兩側(cè)路肩及路基中心下方3處地表沉降測(cè)試數(shù)據(jù)的均值。

由圖3可知，在路堤填筑期（0～174 d）內(nèi)，路堤高度逐漸增加至12.0 m，斜坡軟基的沉降較快發(fā)展，約0.50 mm/d，沉降值快速增加；在路堤填筑過程的放置期（174～279 d）內(nèi)，地基沉降增長(zhǎng)趨緩，速率約為0.15 mm/d；路堤填筑完成后的觀測(cè)期（279～480 d）內(nèi)，沉降增速進(jìn)一步降低，速率約為0.12 mm/d。測(cè)試結(jié)果表明，盡管在較高路堤荷載作用下的斜坡軟土地基沉降初期發(fā)展相對(duì)較快，但在填筑完成后則趨于穩(wěn)定。路堤填筑施工完成后斜坡軟弱土地基沉降隨時(shí)間變化符合雙曲線函數(shù)關(guān)系，采用路堤填筑完成后觀測(cè)期（279～480 d）數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到斜坡軟弱土地基工后20年將發(fā)生36.1 mm沉降，工后總沉降為36.7 mm，約為13 m路堤高度的2.77‰～2.82‰，且滿足路基工后沉降的控制要求［4-5］。

由圖4可知，在路堤自重作用下的斜坡軟基水平變形基本集中在低液限黏土層范圍內(nèi)，地基淺層水平變形較大，下臥強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾砂巖基本沒有位移，沿地基深度增加呈逐漸衰減趨勢(shì)。測(cè)試期內(nèi)地表最大水平變形值約為202 mm，明顯大于同時(shí)期地基豎向沉降121 mm，是后者的1.67倍。這一現(xiàn)象說明，在斜坡軟土地基上填筑路堤易發(fā)生以水平側(cè)滑為主導(dǎo)的失穩(wěn)破壞，水平變形監(jiān)測(cè)宜以下坡坡腳處的地表為主。

由圖5可知，在路堤填筑較快的時(shí)期（0～174 d），路堤高度由0填筑至12.0 m，斜坡軟弱土地基下坡一側(cè)路堤坡腳，通過測(cè)斜管觀測(cè)數(shù)據(jù)的地表水平變形隨填高增長(zhǎng)較快，平均速率約為0.80 mm/d，大于相同時(shí)期的地基豎向沉降速率，是后者平均值0.50 mm/d的1.6倍；路堤填筑完成后期（279～480 d），地基表面水平變形增速趨緩，速率降至約0.31 mm/d。據(jù)此可以認(rèn)為，斜坡軟基的水平變形已趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

選擇典型山區(qū)斜坡軟弱土地基高填方路基試驗(yàn)工點(diǎn)，系統(tǒng)開展了地基豎向沉降與水平變形隨路堤填土施工過程的長(zhǎng)期測(cè)試，重點(diǎn)討論了斜坡軟弱土地基沉降變形的時(shí)空變化規(guī)律，得到幾點(diǎn)基本結(jié)論：

（1）路堤填筑施工期內(nèi)，斜坡軟基的豎向沉降以0.50 mm/d的速率快速增加；放置期內(nèi)，增速放緩至0.15 mm/d；工后進(jìn)一步降低至0.12 mm/d。

（2）雙曲線預(yù)測(cè)法能夠較好的描述斜坡軟基的沉降發(fā)展歷程，得到的工點(diǎn)工后沉降預(yù)測(cè)值為36.7 mm，滿足路基工后沉降的規(guī)范要求。

（3）斜坡軟弱土地基在路堤下滑荷載作用下的水平變形明顯大于豎向沉降，變形速率也較大，分別可達(dá)后者的1.67和1.6倍，且主要發(fā)生在地基淺層。為保證路基建造安全，應(yīng)嚴(yán)格控制下坡一側(cè)路堤坡腳附近地表水平變形。

參考文獻(xiàn)

［1］ 魏永幸.內(nèi)昆鐵路李子溝斜坡軟土特性及路基工程對(duì)策［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2000，11（2）：104-106.

［2］ 魏永幸.松軟傾斜地基填方工程安全性評(píng)價(jià)方法［J］.地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù)，2001，12（2）：73-79.

［3］ 林育梁，葉朝良.路堤軟土地基變形性狀模型試驗(yàn)研究［J］.公路，2002（12）：35-39.

［4］ 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司. 鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范： TB 10001-2016［S］.北京：中國鐵道出版社，2017.

［5］ 中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司. 公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范： JTG D30-2015［S］.北京：人民交通出版社，2015.