高填方路基沉降分析及控制技術研究

梅州市梅縣區偉康公路建設投資有限公司，廣東 梅州 514700

1 高填方路基沉降原因

1.1 勘察設計原因

公路屬于三維帶狀結構物，沿線地形地貌、水文地質條件等可能較復雜。如果設計人員在開展現場勘察查任務時準備工作不充分、人力或經費不足、技術手段落后，或者未能充分查明高填路基范圍內的不良地質或特殊巖土特性，則會影響高填方路基建設方案的制訂，導致路基后期沉降過大。尤其是軟土地基，由于其含水量高、可壓縮性大、強度低、孔隙水壓力消散慢，如果處治措施不當，將會產生較大的固結沉降，影響高填方路基的安全性。此外，高填方路基在設計時若套用一般路基斷面處理方法，而未進行工點設計或路基穩定性驗算，選取的土體強度參數指標可能出現不合理等問題，這也會導致高填方路基沉降。

1.2 施工原因

施工是影響高填方路基沉降變形的直接因素，主要體現在以下三個方面：

（1）路基填料差。路基填料一般應選擇強度高、水穩定性好的砂礫土和碎石土等，不宜使用高塑性黏土、粉土、腐殖土、泥沼土等，否則容易導致路基沉陷破壞。

（2）路基壓實質量不合格。路堤分層填筑期間，不按規范控制松鋪厚度，壓實機械隨意組合，壓實速度過快、遍數少，都會導致路基壓實度不足，從而導致路基后期沉降變形大。

（3）施工現場管理水平低。在高填方路基施工期間，如果技術人員理論知識不足、管理能力欠缺，則無法在現場科學合理地指導工人施工，導致高填方路基施工質量差[4]。

2 高填方路基沉降變形規律

高填方路基沉降總量=地基土沉降+路堤填料壓縮，其中地基土沉降通常選擇分層總和法來計算，但路堤填料自身壓縮變形影響因素較復雜，目前尚沒有統一的計算理論。但隨著計算機技術的飛速發展，越來越多的高填方路基沉降變形開始采用有限元分析法計算。

2.1 工程實例

文章以某公路項目為研究對象，其樁號K48+270～K48+380路段位于山溝內，設計方案選擇高填方路基通過，全長約110m，邊坡最大高度為24m。場地內地表下伏層為泥質粉砂巖，工程性能較好，可作為地基基礎持力層，其容重為24kN/m3、黏聚力為32kPa、內摩擦角為40°；高填方路堤的填料擬采用碎石土，其容重為21.5kN/m3、黏聚力為5kPa、內摩擦角為35°。高填方路基分3級填筑，每級填土高度為8m，臺階寬2m，且每填筑1m進行1次增強補壓，填方邊坡第一級、第二級、第三級坡率分別取1∶1.5、1∶1.75、1∶2.0。

2.2 有限元模型建立

（1）邊界條件。高填方路基底部設置為不透水邊界，且對其X方向、Y方向、Z方向完全約束；路基頂部和邊坡坡面設置為自由邊界，可發生豎向壓縮和水平位移；地基土只約束X方向，可產生豎向壓縮[5]。

（2）網格劃分。由于網格大小和網格數量對模型計算結果和計算效率影響較大，在確保高填方路基沉降精度和計算速度的前提下，利用FLAC 3D 5.0軟件中的二維實體Brick單元對路堤填料和地基土進行網格劃分，對坡面以內2m及路床范圍內的網格進行加密處理，網格尺寸取1m×1m，其他部位網格尺寸取2m×2m，共劃分出單元4251個、節點5892個。

（3）屈服準則。高填方路基沉降變形計算可采用摩爾-庫倫本構模型，其計算參數簡單，計算結果偏安全，在巖土工程分析中應用廣泛。摩爾-庫倫的破壞函數可選擇有效應力法或總應力法，公式如下：

式中：τf為抗剪強度；c、φ分別為黏聚力和內摩擦角；c'、φ′分別為有效黏聚力和有效內摩擦角；σ為法向應力；σ′為有效法向應力。

2.3 高填方路基沉降計算結果

（1）各監測點沉降變形。該填方路基寬度為8.5m，從路基中心線開始，每隔1m布置1個沉降監測點，監測點距離路基中心的距離左側為“-”，右側為“+”，得到的高填方路基填筑完成后的沉降變形結果如圖1所示。

圖1 高填方路基各監測點沉降變形

由圖1可知，高填方路基中心處的監測點沉降變形最大，達到31.6mm，且路基兩側的沉降變形相差不大，整體上呈對稱分布。同時，隨著與路基中心線距離的增加，路基沉降量變小，但是減小速率是先快后慢，即當距路基中心距離小于2m時，各監測點沉降變形減小、速率快，達到2.95mm/s；當距路基中心距離超過2m時，各監測點沉降變化幅度不大，僅為0.94mm/s。產生此現象的主要原因為在填土等外荷載作用下，路堤及地基土中會產生附加應力，導致土體壓縮變形，且距離路基中心越遠，附加應力影響效果越小。

（2）填土高度對路基最大沉降的影響。由于高填方路基分層填筑，為了更好地模擬路基施工期間的沉降變化規律，文章分析了不同填土高度對路基最大沉降的影響，結果如圖2所示。

圖2 各壓實度下路基最大沉降

由圖2可知，隨著路基填土高度的不斷增加，路基最大沉降量也在不斷增加，且兩者之間基本呈線性正相關趨勢。填土高度每增加1m，路基最大沉降約提高2.67mm，這是因為填土高度越大，施加在路堤和地基土的荷載越大，產生的附加應力越大，則沉降變形也就越大。

3 高填方路基沉降控制技術

目前，高填方路基降低沉降的方法主要有鋪土工格柵、采用輕質填料、加強地基處理等措施。

（1）鋪土工格柵。在高填方路基各層之間鋪土工格柵，可以形成加筋土，提高土體的抗剪強度、抗壓強度和壓縮模量，降低填料的可壓縮性，從而減小路基沉降變形。

（2）采用輕質填料。輕質材料一般重度較小，高填方路基填筑采用輕質材料能有效降低作用在地基上的荷載，從而減小土體中的附加應力和沉降變形。在填筑輕質材料路段和一般路基之間要開挖臺階設置過渡段，臺階高度為0.5～1.0m，坡比宜為1∶1～1∶2，以確保路基的整體穩定性。

（3）地基處理。如果高填方路基區域范圍內存在軟弱土層，則必須先對其進行處理再施工。如果軟弱土層厚度不大（小于3m），可采用換土墊層法，其基本原理是挖除地面線高程以下的軟土層，換填成強度大、水穩定性好的砂、碎石、粉煤灰等，并夯壓密實，以提高地基承載力，減小地基及其下臥層沉降變形。如果軟弱土層厚度較深，可選擇水泥攪拌樁處治。水泥攪拌樁可按梅花形布置，樁頂鋪厚度為20cm的碎石層，樁徑取350～500mm，樁長與樁間距可利用《理正巖土》或有限元軟件的計算結果確定。

4 結束語

文章分析了高填方路基的沉降變形原因、變形規律及施工控制措施，主要得到了以下結論：（1）高填方路基沉降原因主要是設計方案不合理、路基填料差、路基壓實質量不合格、施工現場管理水平低；（2）距離路基中心線距離越遠，路基沉降越小，且中線兩側路基沉降變形相差不大，整體呈對稱分布；（3）高填方路基最大沉降量會隨著路基填土高度的增加而增加；（4）鋪土工格柵、采用輕質填料、加強地基處理等措施可以有效地改善高填方路基沉降變形。