公路高填方路基沉降分析與預(yù)測(cè)

摘要：針對(duì)高填方路基沉降問(wèn)題，文章對(duì)強(qiáng)夯處治后的路基采用現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)和有限元模擬計(jì)算兩種方式進(jìn)行研究，對(duì)比分析試驗(yàn)段兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面路基坡腳和路基中心處的沉降實(shí)測(cè)值和計(jì)算值，得出有限元計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，可用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。同時(shí)，采用有限元法結(jié)合生長(zhǎng)曲線法對(duì)路基沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，得出路基完工后沉降逐步達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：高填方路基；沉降；強(qiáng)夯法；有限元；預(yù)測(cè)

中圖分類號(hào)：U416.1+1 A 29 093 2

0 引言

我國(guó)很多高速公路修建在山嶺重丘區(qū)，其路基結(jié)構(gòu)常采用高填方路堤。由于地形復(fù)雜，地基承載能力差異大［1］，高填方路堤很容易產(chǎn)生差異沉降變形。高填方路堤施工過(guò)程中，必須采取有效措施進(jìn)行加固處治，提高地基承載力和路堤壓實(shí)質(zhì)量，控制路堤沉降。強(qiáng)夯法是將重錘提升到一定高度，以自由落體的方式夯擊土體［2］，使土體迅速固結(jié)，降低土體的壓縮性，提高密實(shí)度和強(qiáng)度。采用有限元模擬分析計(jì)算路基填土的沉降量［3］，并結(jié)合生產(chǎn)曲線法［4］對(duì)高路堤沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，分析確定路堤的穩(wěn)定性。本文以某高速公路高填方路堤施工為研究背景，采用有限元法模擬計(jì)算高路堤的沉降量，與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，并結(jié)合生長(zhǎng)曲線法對(duì)高路堤工后沉降進(jìn)行預(yù)估，力爭(zhēng)為山嶺重丘區(qū)高路堤施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程概況

某高速公路穿過(guò)山嶺重丘區(qū)，沿線地形起伏大，有多處高填方和深路塹。高速公路采用雙向四車道設(shè)計(jì)，最大行車速度為120 km/h，最低行車速度為80 km/h，路基設(shè)計(jì)寬度為28 m。取K40+068～K40+136為試驗(yàn)段，路基設(shè)計(jì)寬度為28 m，該路段屬于侵蝕構(gòu)造，地形條件較復(fù)雜，低山且溝谷狹窄。溝谷和臺(tái)地地區(qū)均上覆亞黏土和碎石，厚度約為4～13 m，為殘坡積碎石土地基。試驗(yàn)段路基采用高填方路堤，填方高度為20～25 m。采用土石混填路基，高填方路基填料主要采用挖方段和隧道洞渣等松散粒狀材料，在路基自重和其他荷載作用下會(huì)使路基產(chǎn)生一定程度的水平位移和豎向位移。由于路堤填筑高度、地基承載能力存在一定的差異，路基各部分沉降變形也存在一定的差異。由于填方路堤的抗拉強(qiáng)度較低，在拉伸應(yīng)變區(qū)很容易產(chǎn)生變形開裂。試驗(yàn)段地基起伏較大，局部路基與涵洞交接，填方高度大，容易產(chǎn)生較大的差異沉降。

1.2 強(qiáng)夯加固方案

為提高路基壓實(shí)質(zhì)量，有效控制路基沉降，在試驗(yàn)段采用強(qiáng)夯法進(jìn)行加固。強(qiáng)夯法施工方案如下：

（1）夯擊能。

該項(xiàng)目所選強(qiáng)夯夯錘重量為25 t，點(diǎn)夯落距為6 m，夯擊能為1 500 kN·m，滿夯落距為3.6 m，夯擊能為900 kN·m。

（2）夯點(diǎn)布置。

夯點(diǎn)布置間距為4 m，按梅花型布置，如圖1所示。

（3）夯擊遍數(shù)。

路基強(qiáng)夯遍數(shù)為3遍，其中點(diǎn)夯兩遍，滿夯1遍，滿夯夯印重疊1/4。第一遍夯擊完成后，推土機(jī)整平后即可進(jìn)行第二遍施工。單個(gè)夯點(diǎn)最后兩擊點(diǎn)夯平均夯沉量≤5 cm，滿夯夯沉量≤2 cm，即可停止施工。夯擊后檢測(cè)路基壓實(shí)度，壓實(shí)度要求0～200 cm的深度范圍≥94%；200～500 cm的深度范圍≥93%。

2 高填方路基沉降分析

2.1 高填方路基沉降分析方法

為確定高填方路基沉降變形趨勢(shì)，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)法和有限元法兩種方法開展研究。通過(guò)對(duì)比分析確定有限元法計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，為下一步路基沉降預(yù)測(cè)做準(zhǔn)備。

2.1.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)法

分別在路基坡腳和路基中心埋設(shè)沉降板，對(duì)路基施工過(guò)程中地基沉降量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。總結(jié)路基沉降變形規(guī)律，確定路面施工時(shí)間。在K40+068～K40+136試驗(yàn)段，路堤填筑高度為20～25 m，選取K40+070、K40+095、K40+120三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，其中K40+070、K40+095斷面位于涵洞的兩側(cè)，距涵洞分別為5 m和10 m。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面分別在路基坡腳和路基中心布置一個(gè)沉降板。

沉降板埋設(shè)后，每填筑兩層路基填料開展一次沉降觀測(cè)，停工期間每周觀測(cè)1次。如連續(xù)兩次沉降量均＜1 cm，可調(diào)整監(jiān)測(cè)頻率為每填筑3層開展一次沉降觀測(cè)，停工期間每15 d觀測(cè)1次。

公路高填方路基沉降分析與預(yù)測(cè)/吳永妍

2.1.2 有限元法

有限元法是將路基劃分為若干網(wǎng)格，形成離散體結(jié)構(gòu)，模擬路基上部的荷載作用分析路基的位移和應(yīng)力。本文采用有限元軟件建立路基模型，主要對(duì)路基的豎向位移進(jìn)行計(jì)算。將地基土和路基填料看作彈塑性材料，構(gòu)建理想彈塑性本構(gòu)模型。采用p1ane42單元，按照平面應(yīng)變問(wèn)題對(duì)路基沉降進(jìn)行計(jì)算。路基沉降計(jì)算假定路堤足夠長(zhǎng)、路基土各向同性、地基已固結(jié)，地基底面水平和垂直均受約束，地基兩側(cè)水平方向受約束。另外，在計(jì)算過(guò)程中不考慮溫度變化的影響。

2.2 路基沉降計(jì)算與監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

路基沉降現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)間為360 d，按現(xiàn)場(chǎng)路基填筑施工進(jìn)行模擬分級(jí)加載，利用有限元軟件計(jì)算路基沉降。試驗(yàn)段路基設(shè)計(jì)寬度為28 m，填筑高度為22 m，地基計(jì)算深度取20 m。選取涵洞一側(cè)的K40+095斷面和K40+120斷面作為研究對(duì)象，統(tǒng)計(jì)路基現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)與計(jì)算結(jié)果，繪制沉降變化曲線如圖2和圖3所示。

分析圖2、圖3可知，隨路基填筑高度的增加路基沉降量隨之增加，且施工期間沉降速率較高，填筑完成后沉降速率明顯下降。K40+095斷面在監(jiān)測(cè)完成后路基中心和坡腳處的沉降量分別為17.23 mm和9.71 mm。其中，施工期間沉降量為14.42 mm和7.25 mm；工后沉降量為2.81 mm和2.46 mm。K40+120斷面在監(jiān)測(cè)完成后路基中心和坡腳處的沉降量分別為21.07 mm和12.85 mm，其中，施工期間沉降量為16.91 mm和9.69 mm；工后沉降量為4.16 mm和3.16 mm。K40+095斷面沉降量較K40+120斷面沉降量略大，分析原因是K40+095斷面較靠近涵洞導(dǎo)致。兩個(gè)監(jiān)測(cè)斷面路基沉降量計(jì)算值十分接近，且計(jì)算值略低于實(shí)測(cè)值，說(shuō)明有限元計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確率較高，可用于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

3 路基沉降量預(yù)測(cè)

路基沉降變形發(fā)展過(guò)程與生長(zhǎng)曲線類似，隨著填筑高度的增加，地基上部附加應(yīng)力不斷增加，路基沉降量也不斷增加，沉降速率也不斷提升，填筑完成后地基上部附加應(yīng)力逐步穩(wěn)定，沉降量和沉降速率不斷縮小，并逐步趨于穩(wěn)定。因此，采用有限元與生產(chǎn)曲線法相結(jié)合，對(duì)路基工后沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，生長(zhǎng)曲線計(jì)算公式如式（1）所示：

y（t）=L1+ae-bt（1）

式中：a、b——參數(shù)；

L——路基的最終沉降量。

根據(jù)上述對(duì)比，有限元計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確，采用有限元軟件計(jì)算預(yù)測(cè)路基最終沉降量。取完工后路基沉降計(jì)算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得出路基中心處和路基坡腳位置沉降量計(jì)算公式。K40+095斷面沉降預(yù)測(cè)按式（2）和式（3）計(jì)算，式中時(shí)間t從路基開始填筑施工時(shí)算起：

y（t）=21.1 8431+0.900 28e-0.010 09 t（2）

y（t）=12.9 2411+1.112 60e-0.008 42 t（3）

K40+120斷面沉降預(yù)測(cè)按式（4）和式（5）計(jì)算：

y（t）=17.6 8241+1.057 51e-0.009 54 t（4）

y（t）=10.1 4521+1.722 93e-0.009 56 t（5）

自路基填筑完工后進(jìn)行計(jì)算，時(shí)間間隔為30 d，預(yù)測(cè)時(shí)間段為自路堤填筑完成（150 d）至完工后3年（1 080 d），K40+095、K40+120斷面路基坡腳和路基中心沉降預(yù)測(cè)結(jié)果如后頁(yè)圖4和圖5所示。

分析圖4可知，在完工約360 d以后，路基坡腳和路基中心逐步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，1 080 d時(shí)路基中心和坡腳位置的沉降預(yù)測(cè)值分別為21.183 9 mm和12.923 4 mm，與最終沉降量21.184 3 mm和12.9241 mm十分接近，可認(rèn)為路基結(jié)構(gòu)已經(jīng)達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。

分析圖5可知，在完工約360 d以后，路基坡腳和路基中心逐步達(dá)到穩(wěn)定，1 080 d時(shí)路基中心和坡腳位置的沉降預(yù)測(cè)值分別為10.144 6 mm和17.681 8 mm，與最終沉降量10.145 2 mm和17.682 4 mm十分接近，可認(rèn)為路基已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)

依托高速公路高填方路基施工案例，采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與有限元數(shù)值模擬分析結(jié)合的方法對(duì)路基沉降進(jìn)行研究，并采用有限元法結(jié)合生長(zhǎng)曲線法對(duì)路基沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，得出以下結(jié)論：

（1）路基施工期間路基坡腳和路基中心位置沉降增速較大，這是由于施工荷載作用、路基自重荷載不斷增加造成的，完工后沉降逐步穩(wěn)定，且工后沉降量較小。

（2）有限元數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果略低于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果，但二者十分接近，說(shuō)明有限元計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，可用于指導(dǎo)施工。

（3）根據(jù)K40+095、K40+120斷面路基坡腳和路基中心預(yù)測(cè)結(jié)果得出，360 d后路基逐步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，1 080 d路基沉降預(yù)測(cè)值與最終沉降值已十分接近，說(shuō)明路基結(jié)構(gòu)已穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2023-07-06