山區高填方路堤沉降規律研究

劉忠祥

(江西東通交通科技股份有限公司，江西 南昌 330013)

0 引 言

公路路基是整個道路結構的基礎，路基的穩定與沉降控制是保證汽車安全、快速和運行舒適的關鍵。尤其對于高填方路堤，在自重作用下，高填方路堤往往會產生較大的豎向位移，包括原地基土在路堤荷載作用下產生的豎向位移和路堤自重引起的土體本身的壓縮與固結，這些豎向位移往往需要較長的沉降時間才能完成。因此，對于高填方路堤，不僅要求其在施工過程中的安穩，還要保證項目竣工后不會產生過大的沉降和不均勻沉降，以免造成路面下陷及不均勻沉降等一些工程問題。近年來，土工格柵以其優異的加固效果在提升高填方路堤穩定性的工程中被廣泛使用。

1 工程概況

318國道利川繞城段項目(K0+000～ZK6+906，K0+000～YK6+886)，線路總長6.886 km，因地形及選線原因，不可避免出現高填方路段。線路區在大地構造上位于新華夏系第三隆起帶和第三系帶之接合部位，線路區無大的地質構造，該路基段附近無斷裂通過。高填路堤線路區屬構造侵蝕溶蝕低中山區，場區上覆蓋有：(1)粉質黏土(Qhal+l)：黃褐色，可塑為主，局部為硬塑；(2)灰巖(Tlj)：灰色，微晶結構，中厚層狀構造，節理裂隙較發育，巖芯較破碎，多呈碎塊狀，一般塊徑為3～8 cm，最大為10 cm。路基段位于一巖溶洼地中央，地表基巖零星出露，地表植被多為雜草和灌木，采用挖除覆蓋層，回填塊石、碎石進行加固處理。項目中各段高填路基段填筑高度大致相當，本文選取K4+540高填方路堤斷面進行研究。路堤填筑共有四層，各層高度從上至下依次為8 m、8 m、8 m和4 m，且除第一層路堤坡率為1∶1.5外，其余各層坡率均為1∶1.75，在上路床頂部、下路床頂部和底部分別鋪設雙向土工格柵以控制路面不均勻沉降。

2 模型及計算參數

318國道利川繞城段K4+540斷面是本項目典型的高填方路堤斷面，大部分高填方路堤斷面與此斷面相似，因此本文參考此高填方路堤斷面設計圖，使用Hypermesh建立高填方路堤二維模型，并導入大型有限元分析軟件Abaqus建立高填方路堤二維有限元模型，通過有限元軟件模擬高填方路堤的填筑施工過程，研究路堤整體的沉降規律和表面的不均勻沉降。

模型中地基土共兩層，分別為粉質黏土和灰巖，厚度分別為15 m和25 m。通過查閱工程地質資料，在有限元分析模型中粉質黏土采用Clay Plasticity模型，模型參數如表1所示；灰巖采用Drucker-Prager(D-P)彈塑性模型，其材料參數如表2、3所示。整個路堤共分四層填筑，各層從上到下依次高4 m、8 m、8 m和8 m，除最上層坡率為1∶1.5外，其余三層坡率均為1∶1.75，路堤材料采用Drucker-Prager(D-P)彈塑性模型，材料參數如表2、3所示。路面結構材料共有5層，各層厚度及材料屬性參數如表4所示。地下水在天然地基以下5 m處，模型中考慮地下水對路堤沉降的影響，分析高填方路堤分層填筑時在其填料自重應力下高填方路堤所產生的沉降及表面的不均勻沉降規律。

表1 Clay plasticity(粉質黏土)模型參數

表2 Drucker-Prager(灰巖、路堤填料)模型參數

表3 Drucker-Prager模型的硬化參數

表4 路面結構參數

3 結果分析

依據工程實際施工情況，本項目因挖方地段較多，因此路堤填筑采用土石混合材料，為使填料級配良好保證填料得到較好的壓實效果，在填石的縫隙內灌入石渣、石屑、粗砂等使孔隙填滿，并敲掉尖角部分，保持頂面適當平整。路堤填筑時間不得小于6個月，施工時應勻速填筑，填筑竣工后應至少預壓6個月后方可進行路面結構的鋪筑。同時，為減少路面沉降差異，在高填方路堤上路床頂部、下路床頂部和底部分別鋪設雙向土工格柵，土工格柵采用TPG50-50凸結點雙向(塑料)加筋格網，其屈服伸長率≤10%，極限結點剝離力>500 N。在鋪完土工格柵后，應及時(48 h內)填筑填料，且每層填筑遵循“先兩邊后中部”的原則對稱進行，并保證路面的平整度。高填方路堤的填筑順序及填筑時間如圖1所示。

依據圖1所示的高填方路堤加載歷程曲線，首先進行天然地基的地應力平衡，然后分層填筑路堤。這是由于所構建的模型尺寸，大多與工程實際一致，其現在的樣子是經過長時間變形后的形態，無從知道多年前未發生變形之前的形態。結構內部由于多年的自重應力作用，內力抵抗自身的重力作用而達到平衡狀態，因此在路堤填筑之前，首先要進行地應力的平衡。一般來說，當模型在重力作用下變形達到10～10數量級可認為達到了地應力平衡狀態。經地應力平衡后地基變形達到了10數量級，平衡效果很好。然后進行各層路堤的分層填筑，在Abaqus有限元分析軟件中采用生死單元進行模擬，依據工程實際填筑高度和填筑時間間隔，各層之中每填筑1 m高度間隔10 d，路堤每填筑一層間隔20 d時間。

圖1 高填方路堤填筑加載歷程曲線

可以看出高填方路堤沉降值隨時間的增大而逐漸增大，其最大沉降部分位于填筑路堤的中下部。這是由于高填方路堤填料重量大，在其自重荷載的作用下，天然地基受到外部荷載作用，進一步發生塑性變形而引起的。

圖2 道路表面中心點沉降

圖3 道路表面沉降

工程實際施工中，為保證路面施工質量、保障道路行車安全，在路堤上部結構采用了3層土工格柵進行加筋。為進一步研究土工格柵對高填方路堤沉降控制的作用，本文做了對比模型，即不采用土工格柵加固路基。采用Origin對數據進行處理并繪制圖形。圖2為路面竣工完成后路面表面中心點10年內的沉降對比，可以看出，兩類模型的沉降規律基本一致，即隨著時間的增加，路堤填料從彈性階段逐步過渡至彈塑性階段，沉降速率逐步降低，并最終趨于穩定；在路面竣工后初期，土工格柵對道路表面沉降的影響基本為零，隨著時間的增長，影響逐漸增大，但差異較整體沉降可忽略不計，其原因可能是由于土工格柵僅在路堤的表層鋪設而未在路堤各部分分別加筋。圖3為道路表面沉降點的豎向沉降值，因模型整體結構對稱，取左側一半進行研究，對比道路橫斷面不同位置的沉降差異，橫坐標數值代表觀測沉降點距道路表面中心點的距離。可以看出，當使用土工格柵時道路表面的沉降較未使用土工格柵的沉降量小，使用土工格柵時道路表面的沉降差值大概為0.3 cm，未使用土工格柵的沉降差值大概為0.7 cm，表面不均勻沉降降低幅度近60%。因此，可以看出使用土工格柵加固路堤表層可有效較低路面的不均勻沉降，提升路面平整度和施工質量。

4 結 論

本文依托實際工程，通過Abaqus有限元分析軟件模擬了山區高填方路堤的整個填筑施工過程和工后沉降，研究了路堤整體沉降規律和表面的不均勻沉降，并通過對比模型分析了土工格柵的使用對于高填方路堤整體沉降控制以及路面不均勻沉降的控制效果。主要得到了以下幾個結論：

(1)高填方路堤的沉降速率隨著固結時間的增大而減小，在路面竣工2年后，沉降量已達總沉降量的70%以上，且沉降速率大幅度降低，沉降逐步趨于穩定；

(2)當使用土工格柵加固高填方路堤上部路基時，路基總體沉降會略微減少，約占總沉降量的6%，對沉降的總體控制效果不明顯；

(3)使用土工格柵加固高填方路堤的上部結構時，由于土工格柵整體強度大，因此可以有效地降低道路表面因路基的整體沉降而引起的路面不均勻沉降，提高路面施工質量，保證行車安全。