高填方工程工后沉降演化規律研究綜述

柴玉卿，鄭雙飛，李 旭，杜戰軍，李 帥，劉 雪，丁心香

(1.河南省交通規劃設計研究院股份有限公司，河南 鄭州 450052；2.北京交通大學城市地下工程教育部重點實驗室，北京 100044)

0 引 言

隨著我國經濟社會的迅速發展，國家對基礎交通設施的建設愈發重視。在丘陵溝壑地區進行高速公路、機場、土石壩建設施工時，為滿足建設高程和平順性需求，經常需要采用高填方工程，該類工程主要具有以下幾個特點。①填方體工程量大、施工期長[1]。在丘陵地區的高填方工程中，為滿足高度需要，通常需要高填深挖，體量巨大。這不僅需要對施工時的壓實度進行嚴格把控，也需要對分層填筑時的分層厚度進行更為細致的劃分，因而造成施工期大幅度延長。對于底部填方體而言，施工期延長意味著加載時間的延長，填方體施工過程相當于分期加載，因此在分析時需考慮上部填方體自重荷載的遞增[2]。②工后沉降變形控制難。施工完成時填方體最底層與頂部落差可達數十米甚至數百米，填方體自重荷載大。在自重與外部荷載作用下，不同高度處的圍壓及應力水平等存在巨大差異。在工后沉降逐漸完成的十余年內，荷載作用下發生的蠕變與干濕循環作用下的濕陷等不確定因素，造成工后長期沉降難以準確計算與控制[3]。③地質情況復雜。在某些地質情況復雜的丘陵地區，當存在軟土地基時，高填方路段的沉降包含原軟土地基的沉降以及填方體的沉降兩部分[4-5]。由于上部填方體自重大造成上覆荷載大，因此需要對原軟土地基進行處理，保證其承載力和穩定性[6-7]。當軟土地基厚度較小時，可選擇淺層換填，或者直接挖除表面軟土層至穩定基巖。

綜上所述，由于高填方工程的上述特點，極易出現沉降變形，對工程的安全性和服役性都造成不利影響，并且增加了后期的運營維護難度。本文針對高填方工程主要存在的工后沉降難以計算、預測和控制的問題進行調研，進而總結其工后沉降機理、變形規律、主控因素、沉降預測模型和工后沉降控制措施。

1 高填方工程工后沉降控制要求

高填方工程普遍應用于公路、機場、土石壩、地基基礎、邊坡等領域，不同行業中的高填方工程定義和沉降控制要求不同，存在一定的差異。對于高填方工程的定義與適用范圍，在公路工程和地基基礎工程中，《公路路基施工技術規范》(JTG/T 3610—2019)[8]與《高填方地基技術規范》(GB 51254—2017)[9]均將高填方工程定義為填筑高度超過20 m的工程；而在機場建設中，《民用機場高填方工程技術規范》的適用范圍為填筑高度小于160 m的機場，但對于填筑高度下限并未在條文中進行明確規定。然而，該規范的制定主要針對山區新建機場，并且后附的條文說明中所列的新建機場填筑高度均超過20 m，因此實際依然將20 m作為適用該規范的下限值。在土石壩建設工程中，對高程和平順性要求較低，因此現行的《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274—2020)[10]中將高壩定義為超過70 m的土石壩。

以上規范對高填方的定義僅考慮了填筑高度，劉創明等[11]認為在常年積水地帶使用細粒土填筑的路基工程超6 m，或其他地帶的路基填筑高度超18 m(土質)或20 m(石質)時，均應定義為高填方工程。該定義方法更為全面，綜合考慮了地基種類，填筑材料等實際工況。

對于工后沉降控制要求，在公路工程中，現行規范《公路路基設計規范》(JTGD 30—2015)[12]中對不同路段的15年容許工后沉降要求在100～500 mm之間(表1)；在機場建設工程中，現行規范《民用機場巖土工程設計規范》(MH/T 5027—2013)[13]中對機場設計使用年限內的工后沉降和差異沉降略大，在200～400 mm之間(表2)；在土石壩建設工程中，土石壩工后沉降的要求與壩體高度成正比，即壩體高度越大，允許的工后沉降越大。根據《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274—2020)[10]，為防止沉降過大，壩頂需預留沉降超高，其中土質防滲壩體超高值為壩體設計高度的1%。 對于100 m高的土石壩，工后沉降容許值為1 000 mm，由此可以看出公路高填方工程的工后沉降控制要求最高，土石壩最低。

表1 公路高填方路基15年容許工后沉降要求Table 1 15 years allowable post-constructionsettlement requirements 單位：mm

表2 機場填方工程工后沉降與差異沉降控制要求Table 2 Post-construction settlement anddifferential settlement

另外，現行規范應用時還有一些不確定的問題，如在公路高填方工程相關現行規范中，雖然規定了工后限定時間內的具體沉降值，但由于無法對工程進行長期持續監測，需應用工后沉降公式來預測最終沉降值，但規范并未給出計算公式；此外，規范未給出工后沉降達到最終值的穩定標準，如15～20年內工后沉降未必達到最終值，填方體依然可能會繼續發生較大的沉降，因此工后沉降的預測尤為重要。

2 高填方工程工后沉降案例分析

表3為對高填方工程案例的總結，包括高填方路基、機場、堆石壩等領域，涉及的土體類型包括軟土及粗粒土填料。不同工程的填土類型、填方體高度、填方體上部荷載、工后沉降控制措施不同，造成其工后沉降最終值與沉降速率有很大差異[14]。另外，施工過程中的施工速率、填料壓實度以及防排水措施等都會對工后沉降造成影響[15]。

表3 高填方工程案例Table 3 Cases of high fill engineering

一般認為填方體高度是工后沉降的主控因素，圖1為各工程案例的沉降穩定值隨填方體高度變化情況。由圖1可知，沉降量和填方高度并沒有明顯的正相關關系，這說明填方工程的施工質量和控制措施對工后沉降影響較大。良好的填方工程，即使填筑高度很高，但是沉降并不大，例如承德機場[16]工程填方近百米，沉降只有130 mm。但如果工程措施采取不當則會導致大幅沉降，例如聯七線填筑高度僅15 m[17]，其長期工后沉降達到了202 mm。

圖1 不同填方高度工后沉降變化情況Fig.1 Post-construction settlement changesof different fill heights(資料來源：文獻[16]～文獻[24])

另外，以上案例的調研結果表明，影響工后沉降最主要的因素是土體類型。圖2為上述案例中不同土體類型條件下各工點每米沉降量的計算結果。由圖2可知，軟土地基工點每米產生的沉降值遠大于巖質填料工點的沉降值，其中某高速公路軟基預壓路段[18]每米沉降接近14 mm。在實際施工中，若高填方路段施工前的地表存在軟土層，會嚴重影響工后沉降的穩定值，因此當軟土層厚度較小時，應盡可能挖除。

圖2 不同土類型工后沉降變化情況Fig.2 Post-construction settlement changesof different soil types(資料來源：文獻[16]～文獻[24])

3 高填方工程工后沉降機理與誘因

高填方工后沉降可以概括為荷載作用下產生的蠕變沉降、干濕循環產生的濕陷性沉降、細粒土排水產生的固結沉降、摻合料失水產生的干縮沉降[2,25-26]，可用式(1)表示。

S=Sc+Sw+Si+Sd

(1)

式中：S為總沉降；Sc為荷載作用下產生的蠕變沉降；Sw為干濕循環產生的濕陷性沉降；Si為細粒土排水產生的固結沉降；Sd為摻合料失水產生的干縮沉降。由于高填方工程的土體類型不同，式(1)中4個部分的貢獻不同，其中粗粒土以Sc、Sw為主；而細粒土以Si、Sd為主。

3.1 粗粒土高填方工程工后沉降機理

粗粒土填料所含黏性成分少，內部孔隙通常較大，這意味著排水固結沉降在較短時間內即可完成[2]。因此，對于粗粒土填料，其長期工后沉降主要由Sc和Sw兩部分組成，可表示為式(2)。

S=Sc+Sw

(2)

首先，粗粒土在上部荷載作用下發生顆粒破碎，破碎之后產生的細粒沿著新生成的大孔隙移動，同時引起應力重分布，產生常規蠕變沉降。其次，工后十余年中，晴雨循環、河水反復升降所引起的干濕循環，季節變化、晝夜更替所引起的溫度循環等外部因素產生濕陷沉降。王海俊等[25]認為由干濕循環造成的濕陷性沉降是工后沉降最主要的組成部分，經過河水或雨水的反復浸潤，導致土體顆粒接觸面的抗剪強度降低，打破原有的顆粒平衡，引起剪切破壞，從而誘發較大濕陷沉降。

3.2 細粒土高填方工程工后沉降機理

對于細粒土填料，其長期工后沉降主要由Si組成，即式(3)。

S=Si

(3)

軟土類型的土體，顆粒之間孔隙小，所含黏性成分較多，使得排水固結沉降延續時間較長。當土體飽和時，在上部荷載作用下，將產生超靜孔隙水壓力。 施工完成后，隨著孔隙水緩慢排出，超靜孔隙水壓力逐漸消散，孔隙體積逐漸減小，進而產生固結沉降。

另外，當細粒土填料的強度不符合規范要求時，需添加摻合料(如水泥、瀝青等)對填料土體進行改良。填料所在的環境發生變化時，摻合料中的水分蒸發過多，失水干燥，會引起其體積收縮甚至開裂，從而產生干縮沉降[26]。因此，對于細粒改良土，其高填方工后沉降以干縮沉降為主。

4 高填方工程工后沉降預測方法

高填方工程的工后長期沉降觀測成本高、周期長。因此，對高填方工程的工后沉降進行計算和預測非常重要，也是目前研究的重點內容。目前高填方工程工后沉降的計算和預測方法，主要包括以下幾個類型。

4.1 細粒土高填方工程工后沉降計算理論模型

對于軟土而言，目前計算飽和土體在荷載作用下固結沉降的理論較為完善，以太沙基固結理論為基礎，通過理論推導，可以得到工程中實用的簡便計算方法。現行規范《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007—2011)[27]中，基于一維壓縮理論給出了分層總和法的簡化計算公式見式(4)。

(4)

式中：ψs為沉降計算經驗系數；S′為分層總和法計算的地基沉降量；n為劃分的土層數；P0為基底附加應力；Es為壓縮模量；zi為第i層至基底距離；ai為第i層平均附加應力系數。

式(4)的方法沉降計算結果受沉降計算經驗系數取值的影響很大，實際應用的時候，經常會存在較大的誤差。為此，魏汝龍[28]曾提出一種基于EC-p曲線的地基沉降計算方法。ε-p曲線近似于雙曲線，因此ε/p-p曲線可以近似看作直線，ε/p即為ε-p曲線的割線模量(EC)，該直線方程見式(5)。

EC=E0+mp

(5)

將式(5)代入沉降計算公式，即可得最終公式，見式(6)。

Si=(P2/EC1-P1/EC1)ΔH=

E0ΔPΔH/[(E0+mP1)(E0+mP2)]

(6)

式中：m為EC-p曲線的斜率；E0為初始模量；ΔH為土體高。

魏汝龍[28]提出的上述割線模量法雖然與分層總和法所需試驗數據相同，但計算誤差相對較小。此后，丁洲祥等[29]從壓縮變形機理著手，對割線模量法進行了改進，在進行計算時引入了修正系數α，計算見式(7)。

a=(1+eA)/(1+e0)

(7)

式中：eA為A點孔隙比；e0為初始孔隙比。

將式(7)帶入沉降計算公式中可得式(8)。

Si′=Si/α

(8)

式中，Si′為改進后的沉降值。

該方法不再將ε-p曲線近似看作雙曲線，計算結果比改進前更精確。

4.2 粗粒土高填方工程工后沉降估算經驗模型

對于粗粒土填料工程，尚缺少相關的理論計算模型。為此，實際工程中多采用工程類比法，通過借鑒其他高填方工程(如某些已完工的堆石壩、機場、路基等)的經驗公式來預測工后沉降。此類方法主要基于前期的現場實測數據或室內模型試驗數據進行[30-31]，數據越詳實測量周期越長，則預測結果越趨于精確[32]。此類方法在堆石壩設計中應用較多，其中具有代表性的工作如下所述。

1) 傅志安[33]認為在河谷形狀近似情況下，可采用式(9)類比。

S2=(H2/H1)2×(E1/E2)×S1

(9)

式中：S2為未建大壩的沉降預測值；S1為已建大壩的沉降觀測值；E2為未建大壩的變形模量；E1為已建大壩的變形模量；H2為未建大壩的壩高；H1為已建大壩的壩高。該公式計算簡單，使用方便，但僅考慮了壩高與壩體材料的變形模量，并未考慮河流水位、時間等的影響。

2) 顧慰慈[34]將堆石壩總沉降分為施工期沉降與運用期沉降。根據哥以奇壩等8座堆石壩的沉降觀測值，得到施工期沉降預測近似公式見式(10)。

S0=0.149 6H1.646

(10)

式中：S0為施工期沉降；H為堆石壩高度。該公式的施工期沉降預測值僅與壩體高度有關，且僅僅適用于碾壓法及振動碾壓法施工的堆石壩，有一定的局限性。此外，對于運行期沉降，顧慰慈根據國外63座堆石壩的實測沉降資料，采用回歸分析方法進行研究，得到沉降計算經驗公式見式(11)。

(11)

式中：St為堆石壩運行t年后的沉降量；H為壩高；t為自堆石壩開始運行時算起的年數；K、n、m為系數，與壩型有關。式(11)為回歸分析之后得到的指數型函數，考慮了壩高、壩型以及時間等影響，分析因素較為全面。

3) 閆生存等[35]認為高面板堆石壩施工時通常分多期進行澆筑，蓄水高度與澆筑進程同步進行，故對下部填筑體而言，填筑高度與水壓處于動態變化之中，預測沉降量時需考慮這部分分量，并通過統計分析提出式(12)。

(12)

式中：S0為漏測沉降量；HD為填筑高度；h為水壓分量；t為時間；A、B、α、β、δ、η為統計參數。式(12)考慮的因素較為全面，但需要應用已有成功施工經驗與大量實測數據進行統計分析，且計算過程較為復雜。

RAKSIRI等[36]認為堆石壩沉降與壩體形狀有關，并根據工程經驗提出經驗公式見式(13)和式(14)。

S=a-b×cSβ

(13)

(14)

式中：A為混凝土面板面積；H為壩體高度；β為壩坡仰角；a、b和c為常數且分別取值為16.49、28.45和0.42。

4.3 高填方工程工后沉降數值模擬計算方法

隨著計算機技術的發展，以固結理論為基礎的有限元軟件應運而生，如Midas軟件、Plaxis3D軟件、Comsol軟件等。相比于現場監測，借助這些有限元軟件可以開展高填方工程工后沉降的數值模擬計算[37-43]。這類方法對計算細粒土排水產生的固結沉降Si較為成熟可靠，但是需借助室內試驗測得建立模型所需的參數，參數的準確性對數值模擬的準確性至關重要。

近年來，該方法在蠕變計算方面也取得了一定的突破[44]。姚仰平等[45]推導出了高填方工程蠕變沉降實用本構模型，可用于蠕變問題的有限元計算。該模型將填方體與原地基看作一個整體，簡化邊界條件，忽略側向變形，在考慮時間效應的UH模型中引入彈性壓縮線，可得最終計算模型見式(15)。

(15)

式中：S0為單位蠕變量，S0=1 mm；hf為無量綱參數，反映土體超固結程度；Ct為無量綱參數，反應蠕變速度；A為過渡參數；t為蠕變時間；t0為無量綱參數，t0=1 d。該模型成功應用于承德機場工后沉降計算分析，預測結果與實測值吻合良好。

針對式(1)有另外兩項變形，即干濕循環產生的濕陷性沉降Sw和填料失水產生的干縮沉降Sd，目前數值模擬計算方法尚缺少成熟的方法，未能在高填方工程獲得成功應用，是未來值得努力的方向，主要的問題是缺少相應的本構模型和實驗數據。

4.4 基于回歸分析和人工智能的高填方工程工后沉降預測

根據已測得的短期監測數據進行曲線擬合，以預測長期工后沉降，簡單直觀且方便實用。 在高填方工程的工后沉降監測方面，隨著科技的進步，監測方式也日新月異，例如EMADALI等[46]使用TerraSAR-X聚光雷達影像分析了伊朗某堆石壩的工后沉降變形。

常用的方法有冪函數法、Asaoka法、指數法、雙曲線法、對數法等[47-50]。SIMES等[51]對巴西某垃圾填埋場進行沉降預測時，借助流變模型與雙曲線模型計算最終沉降值。通過對比沉降實測值發現，這兩種模型均明顯低估了沉降值，準確性不高。魏道凱等[52]基于武漢天河機場高速公路的實測數據，對比分析了雙曲線法、指數法和Asaoka法三種方法，發現指數法精度最高。劉兵[53]在同一工程案例中將曲線擬合法及FLAC3D數值模擬法進行對比分析，得出指數法誤差最小的結論。

近年來，人工智能預測模型發展迅速，也在高填方工程的工后沉降預測上取得了一些突破，代表性的工作主要有以下幾個模型。

1) 灰色理論預測模型。王祿洲等[54]在進行昔格達層高填方路基沉降預測時，分別使用了曲線擬合法和灰色系統法。預測結果表明，這兩種方法與實測數據擬合良好，可為類似工程提供借鑒。有學者基于太原市太行路閻家峰路段的高填方路段實測資料，運用灰色理論建立均值GM(1，1)模型，對施工期沉降和工后沉降分別進行預測。結果表明，該模型特別適用于對工后沉降的長時間預測。馮國建[55]進行沉降預測時使用灰色理論，建立不等時距殘差GM(1，1)模型和灰色Verhulst模型兩種模型，對沉降進行預測并對結果進行比較。結果表明，兩種預測曲線與實測數據曲線吻合良好。

2) 神經網絡預測模型。KIM等[56]建立了預測堆石壩壩頂相對沉降的神經網絡模型，該模型使用來自7個國家的30個工程的監測數據庫，能夠較好地預測不同工況下的堆石壩工后沉降。然而高填方路基的工后沉降受到多因素的綜合影響，且變形持續時間長，預測結果與十余年后的實際工后沉降仍存在一定偏差。人工智能預測模型在這方面雖然具有較強的潛力，但是受制于目前的數據積累水平，人工智能預測模型尚未超越傳統方法所能獲得的精度，要想繼續發展人工智能預測模型必須做好長期觀測、數據收集、數據庫建設等工作。

5 高填方工程工后沉降控制措施

為了減少高填方工程的工后沉降變形，需要采取針對性的施工工藝，必要時還需對軟土填料進行處理。目前，施工中最常用的變形控制方法主要包括以下幾種。

1) 做好防排水設施。工后沉降的產生與土體中的含水量關系密切，防排水措施對于減小工后沉降尤為重要。工程中需要采用坡面防水與填方體排水相結合的水分控制技術，保持粗粒土路基填料的干燥。目前，施工技術較為成熟且常用的防水、排水措施包括以下幾方面。①坡面防水以阻止地表水入滲為主，配合盲溝、急流槽、截水溝以及地表排水管道系統等排水設施[57-60]。吳羊[60]提出一種新型水分控制技術，即利用毛細阻滯覆蓋層，來防止地表水下滲，如圖3所示。該技術基于非飽和土滲流理論，采用細粒土上覆于粗粒土形成毛細阻隔帶，通過粗粒土、細粒土之間的基質吸力差阻滯地表水的入滲。對于堆石壩的防水排水，寬級配礫質土目前已較為常用。 史新等[61]通過試驗研究認為細粒含量30%～40%時，其防水效果最佳。

圖3 毛細阻滯覆蓋層Fig.3 Capillary blocking coating

②為保持粗粒土填料干燥，需進行填方體內部排水。工程中一般使用水平砂墊層以及豎向的排水結構。此外，也可采用一種新型排水材料(即毛細透排水管)。這是近年我國臺灣技術人員開發的一種新型排水材料，其排水通道橫截面形如字母“Ω”，不僅能主動排水，還能有效防止土顆粒流失[62-64]。延安新區位于黃土丘陵溝壑區，經常會遇到高填方工程，地質情況復雜，且由于黃土的濕陷性，需嚴格控制地下水以及地表水入滲的影響。基于此類復雜工況下的高填方工程，有學者提出“三面二體一水”控制論。該控制理論緊緊圍繞易發生工后沉降的六個敏感要素，即填筑體頂面、側臨空面、填挖交接面(三面)，填筑體、原地基體(二體)，地下水與地表水及其相互轉化(一水)，如圖4所示。在實際施工中，對這六個關鍵部位的施工質量進行嚴格控制，則整個復合系統的工后沉降便可得到有效控制。

圖4 “三面二體一水”示意圖Fig.4 Schematic diagram of “three sides,two bodies and one water”

2) 細致進行土體壓實工作，減少土體壓縮性。填方體壓縮性越大，其工后沉降越多，由于高填方工程上覆荷載較大，因此對壓實工作提出了更高的要求。常用方法有分層填筑法、自然固結法、沖擊碾壓補強法、真空預壓法等[65-66]。提高施工期的驗收標準，嚴格控制施工期沉降措施才是能從根本上解決問題。如果在運營期出現工后沉降過大的問題，可以采取換填土法、布設土工格柵法、灌漿法等[67-69]等方法進行補救。

3) 必要時需對軟土填料進行處理。當高填方路段存在軟土地基時，需對軟土地基進行加固處理，以保證原地基的承載能力。當軟土層厚度較小時，可進行直接換填或挖除[70]；當軟土層較厚時，常用處理方法有強夯補強法、強夯置換法、CFG樁、碎石樁法、真空預壓法、超載預壓法等[71-76]。在沿海地區，軟土層通常較厚，受海水潮汐引起的干濕循環影響大，且力學性質較差，通常需要高樁加固地基，例如荷蘭的Reeuwijk沿海公路路基[77]。

6 結 語

隨著高填方路基、機場、堆石壩等工程的大量修筑，施工技術趨于成熟，為此后高填方工程的修建積累了大量經驗。如果采取合理的措施，可以將高填方工程的工后沉降控制到容許范圍之內。但是如果低估工后沉降的嚴重性，未采取針對性措施，高填方工程的工后沉降將非常可觀，影響到構筑物的安全運行。

對于高填方工程，土體類型是影響其工后沉降的主控因素。對于細粒土高填方工程而言，沉降變形主要來源于固結變形和干縮變形。目前，對于固結變形已有較成熟的計算理論和方法，但是對于干縮變形尚缺少相應的計算理論和方法，是未來努力的重點。對于粗粒土高填方工程而言，變形主要來源于蠕變變形和濕陷變形。其中，蠕變變形計算近年取得了突破，但是對于濕陷變形，目前尚缺少合理的計算模型和方法，是有待攻克的一個難題。另外，在高填方工程工后沉降預測方面，近年經驗方法和人工智能方法都取得了長足的進步，積累了一定的數據和經驗。其中人工智能方法在高填方工程工后沉降預測方法具有較大的潛力，但是面臨著數據積累不足的問題，模型潛力無法充分發揮和挖掘的困難。