黃土高填方路基沉降規律及機理研究

安惠娟

(太原市炳坤公路勘察設計咨詢有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

近年來，隨著國家“十三五規劃”的不斷實施及中西部交通建設工程的不斷發展，黃土地區高速公路建設規模逐步增大。在黃土路基施工過程中，黃土通常作為路基的地基，同時又作為路基的填料。但由于黃土粉粒含量較大、鈣質含量高、垂直節理發育、大孔隙發育，其具有顯著的結構性及強烈的水敏性，導致其在施工及運營過程中極易受水的影響，進而產生不均勻沉降、路基塌陷、滑塌等工程地質災害，嚴重影響施工進度及運營安全。

鑒于此，學者們針對黃土路基開展了大量而深入的研究，也取得了一系列的科研成果。杲斐[1]結合某鐵路路基沉降的工程病害，分析了病害的形成機理，并提出了增設灰土墊層和石灰樁的處治措施；何春鋒[2]等人利用理論分析手段研究了黃土路基的變形規律，提出了預測模型；孫皓[3]等人針對高填方濕陷性黃土路基的拓寬工程，利用現場監測手段研究其變形特性；焦廣彥[4]等人針對客運專線黃土路基沉降規律進行觀測，并預測了工后沉降；蔣關魯[5]等人利用室內試驗、現場試驗手段對黃土路基填料的改良特性進行了深入研究，并對其沉降進行預測。

本文依托山西某黃土高填方路基工程實例，利用現場監測手段對其沉降規律進行深入研究，并利用理論分析手段研究黃土高填方路基的沉降機理，為類似工程提供技術參考。

1 工程背景

山西某高速公路為雙向四車道，設計速度為80 km/h，路基標準寬度為24.5 m。該高速公路路線位于黃土溝壑區，其地形地質條件復雜，溝壑縱橫，溝谷地貌較為發育，導致其高填方路基分布較多，其中K9+990～K10+120段路基填土高度達34.98 m。該段路基在施工過程中，基床表面采用級配碎石作為主要填料，厚度為0.45 m；基床地層采用砂礫土作為填料，厚度為1.2 m；而基床以下路基全采用黃土作為填料。在路基邊坡坡率設計方面，采用分級坡率，即從路基邊緣起往下5 m范圍內坡率為1∶1.5，5～15 m范圍內采用1∶1.75，而15 m以下的范圍均采用1∶2.25。

該路基段處的地質條件主要為第四系上更新統沖擊質黃土(Q3al)，其厚度高達35 m。根據地質勘察資料顯示，該黃土地層土質分布較為均勻，呈黃褐色，其垂直節理發育，大孔隙較發育，且具有一定的濕陷性。在施工過程中，該段路基采用分層碾壓法，其最大松鋪厚度≤0.5 m。

2 高填方路堤沉降現場監測

2.1 監測方案

2.1.1 監測傳感器選擇

本項目中黃土路基土壓力測試主要采用振弦式土壓力計。在監測過程中，當土壓力發生變化時，土壓力計的感應板感受到壓力變化而產生變形，并將變形傳遞到振弦，從而使得振弦的振動頻率產生變化，通過電磁線圈對振弦進行激振并測試其振動頻率。結合本項目的實際情況，選用的土壓力計測量范圍為0～400 kPa，分辨力為0.08% F.S，具有監測精度高、導線布設方便、長期穩定性好等優勢。

黃土路基沉降監測主要采用高精度靜力水準沉降儀。其基于振弦式液位傳感原理，布設一系列帶有液位傳感器的容器，且各容器間通過液管連通。根據本項目的現場實際情況，其選用的量程為300 mm，其監測精度為±0.1% F.S。

2.1.2 監測斷面布設及監測方案

結合本項目的實際情況，選取典型斷面K9+995作為高填方路基監測對象，主要采用振弦式土壓力計和靜力水準沉降儀，總共布設三層，傳感器水平向間距為5 m。其具體布設情況如圖1所示。

傳感器布設完成后，在路基填筑前應讀取3次數值，取其平均值作為初始值。在監測頻率方面，應遵循如下規定：路基填筑施工期及預壓土堆填期間應保持1～2次/d，施工期應保持1次/d，施工完成后1年內1次/周，當出現沉降量大幅增加或雨季，應適當增大監測頻率。

注：路基為對稱結構，取其一半作示意圖1 K9+995監測斷面示意圖(單位：cm)

2.2 監測結果

為全面分析黃土高填方路基在施工過程中的變形規律，本項目對K9+995監測斷面進行了長達四個月的監測工作。限于篇幅，本文僅選取路基中埋深最大的一層(第一層)傳感器的監測數據進行分析，其監測成果如圖2、圖3所示。

圖2 K9+995監測斷面壓力分布示意圖

圖3 K9+995監測斷面沉降值分布示意圖

從圖2、3中可以看出，隨著高填方路基施工過程的不斷推進，監測水平面上的填土厚度越來越大，其承受的土壓力也隨之增大，沉降值也不斷增大。在壓力及沉降分布規律方面，可以看出，在6月21日前，左右兩側路基的壓力及沉降分布基本均衡；但在6月21日以后，左半幅路基的壓力及沉降最明顯增大，其最大壓力值達到340 kPa，最大沉降值達到31.5 cm。其原因在于，在6月22日路基施工區突降大雨，恰逢K9+995斷面處正在進行左半幅路基填筑施工，停工后導致該處產生積水，施工單位未及時將積水排出；隨著積水的不斷下滲，導致左半幅路基黃土結構性嚴重破壞，沉降量增大，且在水土共同作用下，該處壓力也大幅增加，對整體路基穩定性產生不利影響。

3 高填方路基沉降機理分析

在高填方路基沉降監測值中，主要由兩部分構成，一方面是地基的沉降量，另一方面是路基填土的沉降量。由于黃土結構性強，垂直節理發育，大孔隙發育，在水作用下變形量較大，因此黃土高填方路基中路基填土沉降量所占比例較大。鑒于黃土高填方路基中路基填土兼具荷載和介質的雙重作用，其沉降量極易受填土高度、施工過程等因素的影響。

3.1 填土高度對路基沉降的影響

為全面深入地分析黃土高填方路基填土高度對其沉降量的影響，本項目選取路基中心監測點，記錄各層監測面中沉降量隨填土高度的變化規律，所得監測結果如圖4所示。

圖4 各監測層沉降量與填土高度的關系曲線圖

從圖4中可以看出，在黃土高填方路基施工過程中，埋設的各層監測點沉降值與填土高度呈現出良好的線性關系，即隨著施工的不斷進展，黃土路基填土高度不斷增加，其土壓力隨之增大，在附加荷載作用下，黃土高填方路基沉降累計值不斷增加；其第一層沉降累計值較大，最大值達到315 mm，較第二層沉降累計值205 mm增加幅度達53.6%。可見，通過對黃土高填方路基沉降規律的監測及沉降機理的研究，將有助于預測其施工過程中的沉降值，進而對施工進行指導。

3.2 施工過程對路基沉降的影響

為全面監測施工過程對黃土高填方路基沉降的影響，本文針對K9+995斷面開展了長達200 d的監測，從而深入分析整個施工過程中填土高度-沉降-時間的關系演化規律，所得結果如圖5所示。

圖5 黃土高填方路基填土高度-時間-沉降關系曲線圖

從圖5中可以看出，隨著施工進度的持續推進，填土高度不斷增加，各層監測的沉降值也隨之急劇增長，當填土高度達到23.5 m左右，施工時間到85 d時，各工序已基本完成，沉降值增長速率趨緩；當施工時間到100 d左右時，其監測值屬于工后沉降，其沉降速率趨于穩定?？梢?，在黃土高填方路基施工過程中，前期沉降變形增長速率較快，但后期沉降變形持續時間較長。因此在控制黃土高填方路基沉降總量時，應加強其施工前期黃土壓填密實度，有效控制前期沉降變形量的發展。

4 結語

(1)通過對黃土高填方路基的現場監測發現，在施工初期，左右兩側路基的壓力及沉降分布基本均衡；受地表水影響后，黃土結構性破壞嚴重，沉降量增大，且在水土共同作用下，路基壓力也大幅增加，對整體路基穩定性產生不利影響。

(2)通過對黃土高填方路基沉降機理的研究顯示，黃土高填方路基沉降量極易受填土高度、施工過程等因素的影響，建議加強其施工前期黃土壓填密實度，有效控制前期沉降變形量的發展。