基于公路高填方路基情況的沉降變形及其防止研究

李喆

（河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，河南鄭州450000）

0 引言

隨著公路建設(shè)的快速發(fā)展，高填方公路的工程數(shù)量日益增多，建設(shè)規(guī)模隨之越來越大。高填方路基是指采用細(xì)料填筑時(shí)，填筑高度達(dá)到6m 以上，采用填石、填土填筑時(shí)填筑高度達(dá)到20m 以上。從已建的高填方公路情況看，沉降引起的路基病害問題尤為突出。目前國內(nèi)相關(guān)學(xué)者對(duì)高填方路基沉降也開展了相關(guān)研究，如滕志紅針對(duì)高填方路基的路基高度和坡度因素，對(duì)高填方路基沉降變形進(jìn)行了研究[1]；韓宗良建立了土體本構(gòu)模型，針對(duì)不同地基條件下的高填方路基變形進(jìn)行了研究[2]。本文通過對(duì)公路高填方路基的沉降機(jī)理和影響因素進(jìn)行分析，從而根據(jù)分析結(jié)果提出相應(yīng)的沉降防治措施。

1 公路高填方路基沉降機(jī)理

公路路基沉降最根本機(jī)理在于土層壓縮引起，而土層壓縮性能高低則是通過壓縮系數(shù)來反映。壓縮系數(shù)α=Δe/Δp，通過此公式可看出，土層壓縮取決于土層孔隙率和路基填土荷載。

1.1 土層孔隙率

土粒孔隙率越大，土層壓縮系數(shù)越大，土層壓縮變形越明顯。這是由于土粒孔隙率關(guān)系到土的滲透性，隨之影響了土體的壓縮變形速度，顯然路基沉降速度與土的透水性存在直接關(guān)系；另外，土粒的顆粒級(jí)配和含水率影響著土的滲透性，這兩者與土粒孔隙率同樣存在的密切關(guān)系。因此，路基沉降直接原因是土滲透固結(jié)引起，其通過土層孔隙率指標(biāo)來體現(xiàn)。

根據(jù)土體滲透固結(jié)理論可知道，土體壓縮變形速度與土體中的孔隙水排出速度有直接關(guān)系，孔隙水排出速度會(huì)隨著土體壓縮固結(jié)而逐漸減緩。因此，土體從變形到固結(jié)需要經(jīng)過一定時(shí)間，在土體沉降期間，土體沉降速度是一個(gè)從快到慢的變化過程，最終土體沉降速度逐漸趨于零。針對(duì)土體沉降速率進(jìn)行了相關(guān)研究，下圖1 為某高速公路高填方路基沉降速率隨時(shí)間的變化曲線圖。從圖1 變化曲線可以看出，土體沉降速率隨著時(shí)間延長(zhǎng)而逐漸減緩，而且沉降初期，沉降速率較大，過了大半年后，沉降速率逐漸趨于平緩。值得注意的是，不同土質(zhì)情況對(duì)土體沉降速率以及沉降穩(wěn)定時(shí)間會(huì)有所不同[3]。

1.2 路基填土荷載

根據(jù)路基沉降公式可發(fā)現(xiàn)，路基填土荷載越大，其沉降量越大，而路基所承受的填土荷載則決定于路基填土高度和土體容重。一般來說，路基填土高度越大，路基承受的土體荷載越大，其沉降相應(yīng)越大，反之越小。但研究表明，不同的填土土質(zhì)、不同的填土高度以及不同的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工情況等因素，都會(huì)對(duì)路基沉降規(guī)律產(chǎn)生不同影響。

2 公路高填方路基沉降影響因素分析

從上述路基沉降機(jī)理分析表明，土層孔隙率和填土荷載直接影響著路基沉降量，即填土高度與和土層壓實(shí)度對(duì)路基沉降有著直接關(guān)系，因此研究此兩個(gè)因素與路基沉降之間的變化規(guī)律有著重要意義，結(jié)合此變化規(guī)律研究結(jié)果，對(duì)于高填方路基如何防止過大沉降具有指導(dǎo)意義。

研究對(duì)象為湖北省某高速公路高填方公路路基，路基寬度為28m，路基填土采用土石混合料，填筑采取3 級(jí)實(shí)施，每級(jí)填土高度為8m，每級(jí)邊坡坡比值分別為1∶1.5、1∶1.75、1∶2。

2.1 填土高度因素

為了研究不同填土高度與路基沉降之間的變化規(guī)律，每層填土?xí)r間嚴(yán)格按照規(guī)范要求執(zhí)行，同時(shí)記錄相應(yīng)的路基沉降量，從而得出不同填土高度和相應(yīng)路基沉降量，其路基沉降量為填土沉降量和地基沉降量之和。不同填土高度與相應(yīng)路基沉降變化曲線見圖1所示。

從圖1 中不同填土高度與路基沉降之間的變化曲線可看出，隨著填土高度不斷增加，路基沉降量隨之增加；路基沉降速率在填土高度6m 時(shí)出現(xiàn)變化，填土高度大于6m 時(shí)，路基沉降速率開始變快；路基沉降量與填土高度基本上呈線性比例，這主要原因是由于高填方路基沉降量與填土荷載有直接關(guān)系，而填土荷載與填土高度是呈線性比例，隨著填土高度增加，填土荷載增大，路基沉降量也隨之增大[4]。

相關(guān)研究表明，對(duì)于高填方路基來說，不同填土材料對(duì)于路基沉降有著不同影響。比較巖石類填料和土類填料的路基沉降量發(fā)現(xiàn)，相同填方高度情況下，土類填料的路基沉降量比巖石類填料的大得多。對(duì)于巖石類填料而言，泥巖和頁巖這兩種填料在相同填方高度情況下，路基沉降變形量比較接近；但其沉降量與砂巖沉降量對(duì)比，則較大。對(duì)于土類填料來說，在相同填方高度以及壓實(shí)度情況下，粉質(zhì)黏土填料的沉降量比頁巖或者砂類土較大，大40%～50%，而頁巖與砂類土填料對(duì)于路基沉降變形量較為接近。綜上所述，土類填料的壓縮性大于石類填料，因此采用石類填料的路基沉降量會(huì)小于采用土類填料的路基沉降量。對(duì)于透水性較好的填料（砂類土）填筑的路基沉降量會(huì)小于透水性較差的填料（粉質(zhì)黏土）填筑的路基沉降量。對(duì)于高填方路基來說，填料宜選用巖石類或者透水性比較好的砂類土或頁巖，宜避免選用粉質(zhì)黏土填料。

2.2 壓實(shí)度因素

為了研究不同填土壓實(shí)度與路基沉降之間的變化規(guī)律，同時(shí)結(jié)合規(guī)范明確填土壓實(shí)度不應(yīng)小于90%的要求，填土壓實(shí)度分別采取90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%，同時(shí)記錄不同填土壓實(shí)度和相應(yīng)路基沉降量。

從不同填土壓實(shí)度與路基沉降之間的變化曲線可看出，路基沉降與填土壓實(shí)度基本呈線性比例關(guān)系。隨著填土壓實(shí)度的增加，路基沉降量隨之減小，這主要原因是隨著土層壓實(shí)度增加，土體壓實(shí)模量增加，土體變形空間減小，導(dǎo)致路基沉降減小。另外，根據(jù)曲線傾斜率可得出，填土壓實(shí)度增加1%，路基沉降量約減小0.75cm。

3 高填方路基沉降防止研究

基于上述不同填土高度和填土壓實(shí)度對(duì)路基沉降的影響規(guī)律，對(duì)于如何防止高填方路基過大沉降具有指導(dǎo)意義。下面結(jié)合工程實(shí)際案例，針對(duì)高填方路基提出可行的過大沉降防止措施。

3.1 工程實(shí)例

本工程為湖北省某高速公路高填方公路路基，標(biāo)段為K54+730～K55+050，本標(biāo)段長(zhǎng)2000m。本標(biāo)段路基以填方為主，最大填方高度達(dá)到20m。填土材料主要以粗顆粒的砂礫為主。

3.2 防止措施

3.2.1 從填土高度角度考慮

由于填土高度對(duì)路基沉降有直接影響，為了防止過大沉降，首先控制填土高度，盡可能地減少高填方高度。若由于各種因素，導(dǎo)致填方高度未能減小時(shí)，則需要采取相關(guān)防止路基過大沉降措施，如采用土工格柵和灌漿法等。其中，灌漿法處理措施應(yīng)用較為廣泛。該處理措施是通過對(duì)路基可能存在較大沉降區(qū)域先采取鉆孔，將漿液通過注漿管均勻注入路堤填料和地基層孔隙中，以提高路基強(qiáng)度和壓縮模型，減小土層壓縮變形。本工程綜合考慮采用灌漿法，通過注漿管將漿液均勻的注入地層中，使?jié){液滲透到填料孔隙，讓原來松散填料與漿液形成整體，防止或減弱路基繼續(xù)下沉[5]。

3.2.2 從填土壓實(shí)度角度考慮

本工程為了嚴(yán)格控制填土壓實(shí)度，在路堤填筑前先處理地表，如挖除地表附著的樹根，清理干凈擾動(dòng)的浮土，并進(jìn)行填前碾壓。整平碾壓到符合規(guī)范要求后，采用合格填料進(jìn)行回填。

路基施工時(shí)填料要分層攤鋪、分層碾壓，避免填筑速度過快，無論是高填方路堤還是一般路堤，在填筑時(shí)應(yīng)該嚴(yán)格按施工規(guī)范的要求在全寬范圍內(nèi)分層填筑，控制好分層厚度，結(jié)合工程實(shí)踐和規(guī)范要求，填筑厚度不得超過30cm，尤其是高填方路基施工更需要嚴(yán)格執(zhí)行。另外，還需要保證填料達(dá)到最佳壓實(shí)度，并在路基填筑完成后對(duì)其壓實(shí)度進(jìn)行檢測(cè)，如不滿足規(guī)范要求，及時(shí)整改。

4 結(jié)語

本文通過研究高填方路基，得出了填土高度和填土壓實(shí)度對(duì)路基沉降的影響變化，根據(jù)分析結(jié)果并提出了相應(yīng)的防止過大沉降措施。高填方路基沉降量隨著填土高度增加而基本呈線性上升趨勢(shì)，隨著填土壓實(shí)度增加而基本呈線性下降趨勢(shì)。從研究成果表明，控制高填方路基填土高度和填土壓實(shí)度，對(duì)于防止路基過大沉降有直接影響。若填方高度不可控制時(shí)，則考慮采取土工格柵或灌漿法處理。另外，在填筑施工過程應(yīng)嚴(yán)格控制分層填筑厚度和壓實(shí)度，可有效降低路基沉降。