高填方路堤穩(wěn)定性與沉降監(jiān)測(cè)分析

侯 超

（山西交通控股集團(tuán)有限公司 運(yùn)城高速公路分公司，山西運(yùn)城 044000）

山區(qū)公路由于受到地形限制，在設(shè)計(jì)與施工過程中經(jīng)常出現(xiàn)高填路堤和深挖路塹。高填路堤填方高度大，容易產(chǎn)生沉降變形[1]，如施工質(zhì)量不合格甚至存在滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。因此，控制高填方路基沉降變形，在設(shè)計(jì)和施工中保證路堤處于穩(wěn)定狀態(tài)，是高填方路基建設(shè)的重點(diǎn)。山區(qū)公路高填方路基填料通常就地取材，而路堤填料直接影響路堤的穩(wěn)定性。部分高填方設(shè)置土工格柵可限制填料變形[2]，進(jìn)而提高路堤的穩(wěn)定性。所選路堤填料普遍存在粒徑過大、填料粒徑規(guī)格不統(tǒng)一[3]、土質(zhì)組成復(fù)雜等問題，影響壓實(shí)質(zhì)量，進(jìn)而降低路堤的穩(wěn)定性。而土石混填路堤的施工質(zhì)量控制難度大，且沉降控制難度也較大，必須做好路堤穩(wěn)定性分析。隨著計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，采用有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析的準(zhǔn)確率不斷提高[4]，本文依托某一級(jí)公路高填方路堤工程項(xiàng)目，利用有限元軟件選用有代表性的斷面，采用數(shù)值模擬分析的方法對(duì)路堤穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行分析，為合理選取路堤填料、制定施工方案提供參考依據(jù)，并與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，確定施工方案的合理性。

1 高填方路堤有限元模型建立

1.1 依托項(xiàng)目簡介

某一級(jí)公路K10+910—K11+560 段為高填方路堤，路堤最大填筑高度為58.3 m。路基共分為6 級(jí)邊坡，其中1～5 級(jí)邊坡坡度為1∶1.5，6 級(jí)邊坡坡度為1∶1.25。路堤下部地基平坦，最大坡度為16°，地基穩(wěn)定性良好。路基填料選用附近路塹開挖棄方和隧道開挖棄方，主要為碎石土。

1.2 建立模型與邊界條件

選取填方高度最大的K11+450 斷面作為研究對(duì)象，利用有限元軟件建立計(jì)算模型。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，計(jì)算模型分為6 級(jí)邊坡，計(jì)算模型如圖1所示。邊界條件：模型底邊為全約束；路基邊坡上部自由，路基頂部自由。

圖1 高填方路堤平面計(jì)算模型

1.3 填料計(jì)算參數(shù)和計(jì)算工況

對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)路堤填料和地基土取樣，通過室內(nèi)試驗(yàn)并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)勘察結(jié)果，確定路堤填料和地基土有限元計(jì)算參數(shù)如表1所示。計(jì)算工況：K10+910—K11+560 段高填方路堤選用碎石土作為路堤填料，碎石單層攤鋪厚度為40 cm，路基豎向位移計(jì)算云圖如圖2所示?？梢钥闯觯谠摴r下路基中部豎向位移較大，上部和下部位移相對(duì)較小。

表1 路堤填料和地基土有限元計(jì)算參數(shù)

圖2 路堤豎向位移云圖

2 路堤穩(wěn)定性影響參數(shù)分析

2.1 黏聚力影響分析

由于該項(xiàng)目高填方路堤最大高度達(dá)到了58.3 m，必須對(duì)高填方路堤穩(wěn)定性進(jìn)行分析，本文主要是對(duì)高填方路堤穩(wěn)定性影響因素進(jìn)行分析。根據(jù)強(qiáng)度折減法原理[5]，利用有限元計(jì)算模型對(duì)高填方路堤安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，分析各類因素對(duì)路堤穩(wěn)定性的影響。按照設(shè)計(jì)資料，根據(jù)土基的計(jì)算參數(shù)，路堤填料采用碎石土，重度為20.6 kN∕m3，黏聚力為19 kPa，內(nèi)摩擦角為28.8°，計(jì)算不同黏聚力對(duì)應(yīng)的路堤安全系數(shù)Fs，繪制變化曲線如圖3所示。

圖3 不同黏聚力路堤安全系數(shù)變化曲線

分析圖3 曲線得出，隨路堤填料黏聚力提高，路堤安全系數(shù)不斷提高，路堤整體穩(wěn)定性也不斷提高。當(dāng)黏聚力較小時(shí)，隨黏聚力增加路堤安全系數(shù)增幅較大，而當(dāng)黏聚力達(dá)到5 kPa 以上時(shí)路堤安全系數(shù)增幅不斷下降。因此，為了提高路堤的穩(wěn)定性，不宜選擇黏聚力較小的松散材料，如砂土，應(yīng)選用具有一定黏聚力的黏性材料，或選用按比例摻入黏性土的無黏性材料。

2.2 內(nèi)摩擦角影響分析

同樣按照上述土基計(jì)算參數(shù)，路堤填料黏聚力選擇20 kPa，在設(shè)計(jì)工況下計(jì)算不同內(nèi)摩擦角所對(duì)應(yīng)路堤安全系數(shù)Fs，繪制變化曲線如圖4所示。

圖4 不同內(nèi)摩擦角路堤安全系數(shù)變化曲線

分析圖4 曲線得出，隨路堤填料內(nèi)摩擦角提高，路堤安全系數(shù)不斷提高，說明路堤整體穩(wěn)定性隨內(nèi)摩擦角提高而提升。在內(nèi)摩擦角從0°增加到20°區(qū)間，路堤安全系數(shù)提高幅度較大，而到內(nèi)摩擦超過20°以后，路堤安全系數(shù)提高幅度逐步下降。因此，在高填方路堤施工過程中，不應(yīng)選擇內(nèi)摩擦角較小的路堤填料，如黏性土，如采用黏性土，應(yīng)適當(dāng)加入砂土材料，以提高填料的內(nèi)摩擦角，進(jìn)而提升高填方路堤的穩(wěn)定性。該項(xiàng)目路堤碎石土填料內(nèi)摩擦角為28.8°，所對(duì)應(yīng)的路堤安全系數(shù)較高，滿足施工要求。

2.3 填料彈性模量影響分析

路堤填料黏聚力選擇20 kPa，內(nèi)摩擦角選擇28.8°，在設(shè)計(jì)工況下計(jì)算不同彈性模量所對(duì)應(yīng)路堤安全系數(shù)Fs，繪制變化曲線如圖5所示。

圖5 不同彈性模量路堤安全系數(shù)變化曲線

分析圖5 得出，在路堤填料彈性模量小于200 MPa時(shí)，路堤整體安全系數(shù)出現(xiàn)了小幅度的波動(dòng)，且計(jì)算結(jié)果較大，而彈性模量高于200 MPa 時(shí)路堤安全系數(shù)變化較小，但安全系數(shù)值較小。分析原因是路堤填料彈性模量較小時(shí)在填土自重作用下會(huì)產(chǎn)生較大的豎向變形，路堤固結(jié)速度快，安全系數(shù)有所提高；而當(dāng)填料彈性模量較大時(shí)，路堤在填土自重作用下所產(chǎn)生的豎向變形較小，安全系數(shù)變化較小。

2.4 剪脹角影響分析

為研究路堤填料的剪脹性[6]，利用模型計(jì)算剪脹角對(duì)路堤穩(wěn)定性的影響。路堤填料黏聚力選擇20 kPa，內(nèi)摩擦角選擇28.8°，在設(shè)計(jì)工況下計(jì)算不同剪脹角所對(duì)應(yīng)路堤安全系數(shù)Fs，繪制變化曲線如圖6所示。

圖6 不同剪脹角路堤安全系數(shù)變化曲線

分析圖6 曲線得出，路堤穩(wěn)定安全系數(shù)隨填料剪脹角的影響較小，在剪脹角為0 時(shí)安全系數(shù)最小，超過1°以后在一定范圍內(nèi)小幅波動(dòng)，但整體變化不大。因此，該項(xiàng)目在路堤碎石土填料選擇時(shí)，不需要考慮路堤填料剪脹性的影響。

2.5 填料泊松比影響分析

路堤填料黏聚力選擇20 kPa，內(nèi)摩擦角選擇28.8°，在設(shè)計(jì)工況下計(jì)算不同填料泊松比所對(duì)應(yīng)路堤安全系數(shù)Fs，繪制變化曲線如圖7所示。

圖7 不同填料泊松比路堤安全系數(shù)變化曲線

分析圖7 曲線得出，路堤穩(wěn)定安全系數(shù)隨填料泊松比的增加有小幅下降，但整體變化不大，說明路堤填料泊松比對(duì)路堤穩(wěn)定性影響較小。分析原因是在路堤自重荷載的作用下，所產(chǎn)生的橫向變形隨填料泊松比增加而增加，對(duì)路堤穩(wěn)定性產(chǎn)生了一些不利影響。因此，路堤填料選擇時(shí)，不宜選擇泊松比較大的路堤填料，建議泊松比為0.3 左右。

3 路堤沉降現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

為確定路堤的穩(wěn)定性，同樣選取填方高度最大的K11+450 斷面作為研究對(duì)象，在地基頂面布置沉降板，在路堤頂面埋設(shè)觀測(cè)樁，沉降板和觀測(cè)樁均埋設(shè)在路基中心和兩側(cè)。地基沉降板測(cè)點(diǎn)編號(hào)為1～3 號(hào)，路堤頂面沉降測(cè)點(diǎn)編號(hào)為4～6 號(hào)，其中1 號(hào)和4 號(hào)測(cè)點(diǎn)位于路基中心位置，測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示。使用精密水準(zhǔn)儀和銦鋼尺，按照二等水準(zhǔn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行觀測(cè)，在完工后進(jìn)行了10 個(gè)月的沉降觀測(cè)。

圖8 K11+450斷面測(cè)點(diǎn)布置示意圖

3.2 地基沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

沉降觀測(cè)樁埋設(shè)后，進(jìn)行首次觀測(cè)，以后每次觀測(cè)結(jié)果與首次觀測(cè)結(jié)果對(duì)比確定沉降量，計(jì)算確定累計(jì)沉降量。本文選取1～3 號(hào)監(jiān)測(cè)板沉降量監(jiān)測(cè)結(jié)果作為研究對(duì)象，繪制累計(jì)沉降變化曲線如圖9所示。

圖9 地基沉降變化曲線

分析圖9 曲線得出，在路堤填筑施工階段，地基沉降增幅較大，4 個(gè)月以后沉降速率逐步趨緩。前4 個(gè)月由于路堤填筑施工路基土自重荷載不斷增加，與施工荷載共同作用產(chǎn)生了較大的沉降量。4 個(gè)月以后路堤填筑施工結(jié)束，路基自重荷載不再增加，所承受的施工荷載也較少，所產(chǎn)生的沉降量大幅下降，沉降速率逐步趨緩。在監(jiān)測(cè)完成后地基沉降量逐步趨穩(wěn)，說明路堤填筑完成后地基沉降逐步趨于穩(wěn)定，路堤總體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

3.3 路堤頂面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

路堤填筑完成后，在路堤頂面埋設(shè)觀測(cè)樁，監(jiān)測(cè)時(shí)間也為10 個(gè)月。統(tǒng)計(jì)沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果繪制路堤頂面沉降變化曲線如圖10所示。

圖10 路堤頂面沉降變化曲線

分析圖10 曲線得出，在路堤觀測(cè)前期，地基沉降變化幅度較大，3 個(gè)月以后沉降速率逐步趨緩，期間有小幅波動(dòng)，監(jiān)測(cè)結(jié)束時(shí)基本趨于穩(wěn)定。前3 個(gè)月由于路基固結(jié)變形速度較快，沉降量也較大，而3 個(gè)月以后固結(jié)變形速率放緩，沉降量也隨之下降，期間有小幅波動(dòng)，分析是由降雨量增加造成的。因此，路堤填筑完成后沉降量逐步趨于穩(wěn)定，路堤總體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

4 結(jié)論

以高填方路堤施工項(xiàng)目為研究背景，通過有限元分析和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)對(duì)路堤穩(wěn)定性影響因素和路堤沉降變化規(guī)律進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

a）隨填料黏度增加路堤安全系數(shù)不斷增加，因此應(yīng)選擇具有一定黏聚力的填料，不宜選用松散材料。

b）隨路堤填料內(nèi)摩擦角增加路堤安全系數(shù)不斷提高，但內(nèi)摩擦角超過20°后路堤安全系數(shù)提高幅度明顯下降，因此建議選擇內(nèi)摩擦角不低于20°的路堤填料。

c）路堤填料彈性模量、剪脹角、泊松比對(duì)安全系數(shù)影響相對(duì)較小，尤其是剪脹角影響可以忽略。

d）在路堤填筑期間地基沉降增幅較大，完工后逐步趨緩；路堤頂面沉降在監(jiān)測(cè)初期增幅較大，3 個(gè)月后逐步趨緩，監(jiān)測(cè)完成后地基和路堤頂面沉降均趨于穩(wěn)定，說明路堤總體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性良好。