黃土溝谷區(qū)高填方路基沉降特性及影響因素研究

徐益山, 莊前兵, 徐鵬飛, 馮 浩, 杜耀輝, 張舒濤, 蔣再敏

(1.中交一公局集團有限公司, 北京 100024; 2.蘭州交通大學(xué), 蘭州 730070)

隨著交通強國戰(zhàn)略的深入實施,我國公路建設(shè)規(guī)模巨大,截至2022年底,我國高速公路總里程達到了17.7萬km,居世界首位。在高速公路運營過程中,高填方路基的病害問題[1-2]較為突出,尤其在我國西北地區(qū),黃土分布面積廣,且因其濕陷性,在填筑高度較大的路基工程中都會出現(xiàn)不均勻沉降[3-7]的問題,而高填方路基沉降主要發(fā)生在填筑階段[8],致使路面開裂、變形或塌陷[9],易產(chǎn)生“跳車”現(xiàn)象,影響行車安全。

目前,國內(nèi)外學(xué)者對高填方路基的沉降變形及其影響因素展開了大量的研究。曹杰等[10]針對“V”形溝谷高填方地基進行了離心模型試驗,發(fā)現(xiàn)沉降主要發(fā)生在施工期,且半年內(nèi)的工后沉降較快;朱才輝等[11]分析了填土高度、填土速率、地基綜合壓實度、時間等因素對高填方工后沉降的影響,提出了基于應(yīng)變速率的工后沉降遞推分析法;段士超[12]分析了黃土高填方路基沉降變形規(guī)律和影響黃土高填方路基沉降變形的因素,并建立了黃土高填方路基沉降預(yù)測模型;夏英志等[13]就不同填方高度、不同路基土壓實度和不同填筑材料對高填方路堤差異沉降特性進行了研究;葛苗苗等[14]將FEM數(shù)值計算與分層迭代反演方法結(jié)合,對黃土高填方路基的工后沉降進行了反演預(yù)測,得出原地基和填方厚度的不均勻是地表差異沉降的主要原因;K.Raja等[15]在GIS中實現(xiàn)了路基強度和其沉降特性的空間分布,并得到了路基在濕度波動下強度和沉降特性之間的關(guān)系。

黃土溝谷地帶中的高填方路基因其地形特殊、施工不確定因素復(fù)雜多變,且路基處理的效果直接關(guān)系著工程質(zhì)量和后期運營成本,而相關(guān)工程可借鑒的先例較少,缺乏一定的針對性和指導(dǎo)性。因此,本文依托通渭至定西高速公路(簡稱通定高速)ZK61+880～ZK61+960高填方路基段,通過室內(nèi)土工試驗得到現(xiàn)場原狀土樣的物理力學(xué)參數(shù),采用數(shù)值仿真方法,研究黃土溝谷區(qū)高填方路基的沉降變形規(guī)律及其影響因素,以期解決黃土溝谷區(qū)高填方路基不均勻沉降的問題。

1 工程背景

1.1 工程概況

通定高速ZK61+880～ZK61+960段為高填路基段,其中ZK61+900處最大填筑高度為27.7 m,路堤采用折線形邊坡,邊坡高度在8 m以內(nèi)時,邊坡比為1∶1.5;邊坡高度超過8 m時,邊坡比為1∶1.75。整體式路基全幅寬25.5 m,其橫斷面組成如圖1所示。同時,為增加高填方路堤穩(wěn)定性,在該段左側(cè)填方坡腳處設(shè)置C20片石混凝土擋墻,如圖2所示,擋土墻頂部以上坡面采用預(yù)制拱形骨架防護,路基右側(cè)邊坡坡面充分利用舊路防護。

單位:cm

單位:cm

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察資料,K61+880～K61+960段位于黃土丘陵區(qū),屬“V”型黃土溝谷區(qū),地勢起伏大,區(qū)段內(nèi)濕陷性黃土分布廣泛,場地濕陷性等級為Ⅲ級,為自重型濕陷型黃土,厚度為3 m～15 m。高填路基地層巖性為填筑土、晚更新統(tǒng)沖洪積黃土狀土,呈黃褐色,土質(zhì)較均勻,稍濕,稍密-中密,小孔隙發(fā)育。經(jīng)勘探,路基基底地層為黃土狀土,地基穩(wěn)定性較好,上部粉質(zhì)粘土層具有軟塑性,厚度約3 m～6 m,強度低且含水量大,基底需采取相應(yīng)的處理措施來加強排水。地基土由上到下可分為3層:第1層為Q4人工填土,第2層為Q4粉質(zhì)粘土,第3層為Q3黃土狀土。地質(zhì)橫斷面如圖3所示。

圖3 工程地質(zhì)橫斷面

2 室內(nèi)土工試驗

不同黃土地區(qū)因受自然環(huán)境及氣候的影響,土質(zhì)有所差異,為能準(zhǔn)確了解擬建路段土質(zhì)的物理力學(xué)性質(zhì),方便后續(xù)的數(shù)值模擬分析,取現(xiàn)場填土層土樣,按照《公路土工試驗規(guī)程》(JTG 3430—2020)進行含水率試驗、液塑限聯(lián)合測定、輕型擊實試驗、固結(jié)試驗、三軸試驗。

2.1 含水率試驗

以路堤表面為基準(zhǔn)面,沿填土深度方向向下20 m且每隔1 m依次分層取樣,測得土樣的含水率如表1所示,并以填土深度21 m處作為原狀黃土含水率,測得含水率為23.1%。

表1 不同深度土層含水率

2.2 液塑限聯(lián)合測定

采用聯(lián)合測定法,通過對比土體抗剪強度和含水率之間的關(guān)系,推出圓錐儀錐入深度與含水率之間的關(guān)系,從而測得土體的液限和塑限。試驗所得液塑限擬合曲線如圖4所示,測得該黃土土樣液限為28.9%,塑限為16.4%。

圖4 圓錐下沉深度與含水率的關(guān)系曲線

2.3 輕型擊實試驗

根據(jù)試驗資料,測得該地區(qū)黃土粒徑均小于1 mm,因此,可通過輕型擊實試驗確定土樣的最佳含水率和最大干密度。具體方式為將不同含水率的土樣放入擊實筒內(nèi)進行擊實,通過被擊實土樣的含水率和干密度繪制擊實曲線,如圖5所示。圖5表明,由曲線峰值所得到的該土樣最優(yōu)含水率為15.7%,與施工現(xiàn)場中心實驗室所測15.5%接近,在該含水率下對應(yīng)的最大干密度為1.776 g/cm3。

2.4 固結(jié)試驗

該試驗的目的是求出該黃土的壓縮模量,為后續(xù)研究提供依據(jù)。采用WG型單杠桿固結(jié)儀,在側(cè)限條件下逐級加載,測定加載后的壓縮量,通過計算求出土樣在95%壓實度下3種不同含水率(13%、16%、19%)的壓縮系數(shù)α和壓縮模量ES,試驗結(jié)果如表2所示。

表2 不同含水率下土樣的壓縮系數(shù)與壓縮模量

2.5 三軸試驗

為獲取該土樣的抗剪強度指標(biāo),分別在100 kPa、200 kPa、300 kPa三組圍壓下進行三軸試驗,所得應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系如圖6所示。將每組施加的初始圍壓值作為最小正應(yīng)力,試樣被剪壞時的壓力為最大正應(yīng)力,繪制摩爾應(yīng)力圓和強度包線,如圖7所示,得到該土樣的粘聚力c為32.7 kPa,內(nèi)摩擦角φ為32.0°。

圖6 應(yīng)力應(yīng)變曲線

圖7 摩爾應(yīng)力圓及抗剪強度包絡(luò)線

3 路基沉降數(shù)值模擬

高填方路基具有施工周期長、沉降時間久、沉降影響因素復(fù)雜等特點,為了節(jié)約時間成本,根據(jù)室內(nèi)土工試驗數(shù)據(jù)和勘察設(shè)計資料,結(jié)合定西其他黃土高填工程的土體參數(shù),對填筑高度最大的ZK61+900斷面建立有限元分析模型,如圖8所示。

所建路堤模型頂面寬12.25 m,填筑土體高28 m。邊坡分2組坡度,擋土墻以上24.5 m的邊坡坡比為1∶1.75;接2 m的邊坡平臺后,再往上為坡長13 m、坡比1∶1.5的邊坡,最后與路基頂部相接。原始地基寬度20 m,填筑體底部以及原始地基再沿著邊坡方向往外延伸10 m,這樣可有效減小在高填方路堤模型求解過程中的模型邊界效應(yīng)。因土體結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變,為簡化模型,提高模型計算效率,該高填方路基模型的假定條件如下:1) 假設(shè)土體、擋土墻材料各向同性,且質(zhì)地均勻,土體具有彈塑性體特征,擋土墻材料只具有彈性體特征;2) 路堤只受到重力作用,且重力加速度取9.832 m/s2;3) 不考慮地下水位改變對高填路堤模型的影響;4) 不考慮地表開挖改變原始地應(yīng)力的情況。

建立模型后,靠山里側(cè)邊界條件只設(shè)置水平約束,地基底部設(shè)置豎向和水平約束,邊坡頂面及右側(cè)部分則設(shè)定為自由邊界。

模型按實際高填方路基工程中分層填筑的施工工藝,分為4次填筑,分別對路基填筑過程中的水平位移、豎向位移變化情況進行數(shù)值模擬分析。模型材料參數(shù)如表3所示。

表3 模型材料參數(shù)

3.1 原始地基應(yīng)力

在原始地基土上分層填筑前,會因土體的自重存在應(yīng)力分布情況。為了保證模型計算的準(zhǔn)確性,在分層填筑前先單獨計算地基土體內(nèi)存在的原始地應(yīng)力,并將其作為模型初始應(yīng)力場。但需要注意,初始地應(yīng)力計算不考慮地表清理開挖情況。為了更好地還原施工現(xiàn)場,對溝谷區(qū)的“V”形部分,開挖臺階分層填筑,最后得到高填方路堤原始地應(yīng)力計算云圖,如圖9所示。

圖9 原始地基應(yīng)力云圖

3.2 路堤填筑過程水平位移變化分析

為了分析路基填筑過程中的水平位移變化,模型計算結(jié)果取更為直觀的水平位移云圖,如圖10所示。

(a) 路堤填筑1層水平位移云圖

由圖10可知,路堤最大水平位移量為36.55 mm,填筑前3層時分別在路堤頂面和擋土墻底部逐漸形成了2個水平位移較大的范圍,至第4層填筑完成時,在路堤1/3處和擋土墻底部有較大的水平位移。這說明擋土墻能有效減少路堤的水平位移,提高了邊坡的穩(wěn)定性。

3.3 路堤填筑過程豎向位移變化

分析4種工況下(路基填筑7 m、14 m、21 m、28 m)路堤的沉降變化,計算結(jié)果云圖如圖11所示,得到的每層填土最大沉降值如表4所示。

表4 填土層數(shù)及最大沉降量

(a) 路堤填筑1層豎向位移云圖

由表4可知,路堤頂面的沉降量隨著路堤填筑高度的增加而增加,最大沉降量發(fā)生在第4層填筑完成后,為56.54 mm。分析路基填筑過程中最大沉降處與路堤中心線的距離可以發(fā)現(xiàn),隨著填筑高度的增加,最大沉降處與對應(yīng)路堤中心線的距離分別為37.5 m、32.1 m、23.4 m、15.4 m,這表明填筑過程中最大沉降量發(fā)生在填土較厚處。

4 高填方路基沉降影響因素分析

4.1 含水率對高填方路基沉降的影響

填土的含水率是高填方路基施工過程中的一個重要影響因素,土體的壓縮模量、內(nèi)摩擦角和粘聚力也會隨著含水率的改變而改變。為得到不同含水率的填土隨深度變化的沉降規(guī)律,繪制關(guān)系曲線,如圖12所示。

圖12 含水率對路堤沉降量的變化曲線

由圖12可見,3種不同含水率填土的沉降量均隨著填土深度的增加而增加,當(dāng)填筑土體的含水率為19%時,其最大沉降量為98.0 mm;當(dāng)含水率為16%時,其最大沉降量為56.54 mm;當(dāng)含水率為13%時,其最大沉降量為66.9 mm。填土含水率增加到19%時,其最大沉降量變化較大,所以施工現(xiàn)場應(yīng)保證高填方路堤的含水率在19%以內(nèi),最佳含水率為16%。

4.2 地形對高填方路基沉降的影響

相較在一般地形上填筑路堤,溝谷區(qū)路堤填筑高度大且沉降時間長,沉降變化規(guī)律有差異。為此,基于有限元模型計算結(jié)果,分析不同地形下路堤填筑時的沉降變化規(guī)律,繪制出2種不同地形的高填方路基頂部沉降變化曲線,如圖13所示。

圖13 地形對路堤沉降量的變化曲線

由圖13可見,在平坦地形上的高填方路基頂部沉降量,沿著路堤中心至邊坡方向逐漸減小,沉降變化較均勻,沉降差為3.71 mm;而處在溝谷地形的高填方路基,其頂部沉降量變化恰好與處于平坦地形的沉降量變化相反,即路堤頂部沉降量沿路堤中心至邊坡方向逐漸增加,沉降變化較大,沉降差為11.03 mm。因此,不同地形對高填方路基的沉降影響較大,尤其是在地勢低洼的溝谷地形,實際路基填筑過程中須采取合理的措施控制路堤的不均勻沉降,以免影響公路的后期運營。

4.3 溝谷區(qū)填方邊坡坡度對高填方路基沉降的影響

高填方路基邊坡坡度對整個路堤的沉降影響也較大,決定著路基的整體穩(wěn)定性和經(jīng)濟性。為了探究黃土溝谷區(qū)高填方路基不同邊坡坡度(40°、45°、60°)對路堤沉降的影響程度,基于有限元分析,繪制溝谷區(qū)不同邊坡坡度下對路堤沉降的影響曲線,如圖14所示。

圖14 不同邊坡坡度下路堤沉降量變化曲線

從圖14可見,填方邊坡坡度為45°和60°時,路堤的沉降變化基本一致,兩者沉降差都比較大,分別為8.26 mm、7.62 mm;邊坡坡度為40°的沉降變化與路基在水平地形上填筑時的沉降變化較為接近,相較邊坡坡度為45°、60°時的路堤沉降變化曲線略為平緩,沉降差為6.45 mm。這表明高填方路基邊坡坡度在40°時,路堤沉降已發(fā)生明顯變化,但此時的路堤沉降差較小,說明路基邊坡坡度越緩,其不均勻沉降越小。

4.4 溝谷區(qū)臺階開挖對高填方路基沉降的影響

在黃土溝谷地帶填筑路基,因其填方量大且填筑高度高,應(yīng)對其原始邊坡進行開挖臺階處理,使填土與邊坡更好地結(jié)合在一起,以免發(fā)生滑動破壞,保證路基的穩(wěn)定性。為進一步了解邊坡處理方式對高填方路基的沉降影響,基于有限元分析計算結(jié)果,繪制了路堤填筑在4種邊坡處理條件下的沉降量變化曲線,如圖15所示。各種邊坡處理條件下的最大沉降量及最大不均勻沉降量如表5所示。

表5 邊坡處理方式對沉降量的影響 mm

圖15 邊坡處理方式對路堤沉降的影響

從圖15可見:1) 若原邊坡不做任何處理,直接在原地面上進行路基填筑,最大沉降量可達174.19 mm;2) 在原邊坡上開挖4 m臺階后,路堤沉降量為56.54 mm,較原始邊坡沉降量下降幅度為158%;3) 原邊坡上開挖2 m窄臺階,相較于開挖4 m寬臺階后的路堤沉降量增加了9.71 mm,增長幅度為17.4%。因此,臺階寬度過窄會影響路堤的不均勻沉降。實際高填方路基工程中,對原邊坡進行刷坡、開挖臺階等處理能有效降低路堤不均勻沉降,對確保高填方路基工程質(zhì)量有利。

5 結(jié)論

為了得到黃土溝谷區(qū)高填方路基的沉降特性及影響因素,基于室內(nèi)土工試驗和有限元分析,得出以下結(jié)論:

1) 填筑過程中,通過設(shè)置擋土墻依靠其自重承受土壓力,可防止路堤邊坡沿基底滑動,能有效降低路堤的水平位移,保證了高填方路基的整體穩(wěn)定性。

2) 路堤頂面的沉降量隨填筑高度的增加而增加,填筑過程中最大沉降量發(fā)生在填土厚度較大處。

3) 填土含水率在19%時,路堤沉降量變化較大,含水率在16%時的路堤沉降量最小,建議高填方路基工程中填土含水率控制在19%以內(nèi)。

4) 高填方路基沉降受地形因素的影響較大,尤其是在地勢低洼的溝谷地形,實際工程中須采取合理的措施控制路堤的不均勻沉降,保證公路運營安全。

5) 溝谷區(qū)填方邊坡坡度為40°時,路堤沉降差最小,在路基設(shè)計時應(yīng)合理控制邊坡坡度。

6) 路基填筑前,對原邊坡進行4 m寬臺階開挖處理,能顯著降低路堤的不均勻沉降。