山區高填方路基穩定性監測分析與預測

■胡艷瓊 康 慧 李鴻潔

（江西東通交通科技股份有限公司陜西分公司，咸陽 712000）

隨著我國公路建設的快速發展，高填方路基日漸普及，然而這種類型的路基在運營過程中容易出現大量變形[1]問題，尤其是沉陷缺陷[2]，對公共安全和交通效率造成嚴重影響。 因此，研究高填方路基變形原因、解決方案以及提出能預測同類高填方路基變形的數值仿真模型具有重要意義。

近年來，許多學者對高填方路基穩定性問題進行了深入研究。 溫雪芬[3]通過對山區公路進行全壽命周期內路基穩定性動態評價并進行風險分級；劉姍[4]分析了高填方路堤的沉降規律和失穩因素，在此基礎上進行模型試驗，為高填方路堤沉降預測提供依據；張亞彩[5]針對高填方路基的開裂沉陷原因進行分析，為同類工程的破壞處置提供參考；牛小玲[6]運用ANSYS 有限元軟件建立高填方路基模型，通過數值模擬結果與實測結果進行對比分析，認為模擬計算準確率較高，可用于沉降變形分析；劉建超[7]圍繞不同填筑高度和土質條件，通過離心模型分析、回歸分析探究其沉降規律和穩定性；武魁[8]依托實際工程項目， 采用ANSYS 有限元軟件建立計算模型， 研究填土高度等對路基最大沉降的影響；趙玉國等[9]通過對高填方路堤常見病害機理的分析，結合工程實踐經驗進行綜合論述，總結一些可行的治理措施，為今后類似工程提供參考依據；蔡云鷗[10]從勘察設計和施工方面分析沉降原因，依托實際工程，利用FLAC3D 有限元軟件建立模型分析沉降變化規律。 國內外已有很多關于高填方路基的變形特性及其原因、預測模型、治理措施等方面的研究成果，但在以下幾個方面尚存在不足：一方面，應用現有方法建立數值仿真計算模型以預測同類高填方路基變形情況仍具有挑戰性，如何將現場試驗數據與前人經驗相結合，進一步優化設計這些模型需要深入研究；另一方面，由于我國跨地區高速公路興修項目數量眾多，迫切需要找到適應各種可能影響因素（如地質條件、交通運輸環境等）下可行的解決方案。

為此，本研究依托某繞城公路工程實例，針對高填方路基出現的變形問題進行分析和探討。 通過綜合運用理論分析、 現場試驗與數值模擬方法，探討高填方路基變形原因及解決方案，并結合仿真結果與實測數據建立一種適應同類高填方路基變形預測的數值仿真模型。

1 工程概況

某繞城公路為雙向四車道一級公路，設計行車速度為60 km/h，整體式路基寬18 m，分離式路基寬9.5 m。 通過獲取地質信息、地質圖、物理勘探等綜合調查得到地質信息，線路區主要覆蓋有粉質黏土、灰巖，無大的地質構造，無大的斷裂通過，地表水不發育，主要為大氣中的降水集中釋放產生的地表徑流，從高處落到低地，其自然釋放很順暢，幾乎不會對道路施工造成影響，但下大雨時地表徑流會對路基路面造成破壞性影響，應采取截流、排水措施。 項目中存在多段高填方路基，本研究選取K3+027段高填方路基進行分析，其設計斷面如圖1 所示。

圖1 K3+027 段高填方路基設計斷面圖

1.1 高填方路基特性

1.1.1 高填方路基的界定

高路基和低路基是相對的概念，目前相關規范并未給出統一的判斷標準。 高填方路基也被稱為高路堤，通常指那些高度顯著超過原地面、土石方工程量較大、占地廣泛、施工難度較高且邊坡可能存在穩定性問題的路基。

1.1.2 高填方路基的特點

高填方路基是一種由填料構成的路基類型，填方高度通常超過6 m，并需要大量填方土。 然而，在我國現行的公路規范中，并沒有給出對高填方路基明確嚴格的定義。 高填方路基有一些顯著特點，如因填筑高度的增加，使得路基容易失穩，需要進行穩定性分析以保證安全使用；高填方路基的建設需用到很多填料且占地大，增加了重量，可能導致路基沉降，因此施工要求較高，需要進行多次壓實處理來控制沉降情況；由于高嵌入、大面積等特點，高填方路基容易在作業后發生沉降和差分沉降問題，且在未來幾十年內可能繼續下沉。

1.1.3 沉降的影響因素和主要機理

高填方路基結構中沉降受到許多因素的影響，主要包括以下幾個方面：（1）路基結構，作為影響高填方路基沉降的重要因素之一，路基結構的設計和施工質量對其穩定性和沉降變形具有顯著影響；（2）填筑材料，填筑材料的種類、粒徑分布以及物理力學特性等因素都會對路基沉降產生不同程度的影響；（3）地基土壤，地基土壤的物理力學特性，如壓縮性和抗剪強度等，也會對高填方路基的沉降起到關鍵影響；（4）環境因素，氣候與水文環境等因素亦可能導致高填方路基的沉降問題，例如，氣溫波動會引發路基材料的熱脹冷縮進而影響沉降，而降雨則會使路基材料吸水膨脹從而影響其穩定性。

高填方路基沉降的主要機理可以歸納為2 個方面：填料壓縮與孔隙水壓縮。 填料壓縮指在承受路面荷載時， 填筑材料會發生彈性和塑性變形，導致其體積減小并產生沉降。 孔隙水壓縮是指填筑材料中的孔隙水在承受荷載作用時發生壓縮變形，引起體積減小并造成沉降。

1.1.4 主要病害問題

了解高填方病害問題對于保證荷載車輛的正常行駛至關重要，主要包括以下幾種：路基裂縫、路基整體下沉以及路基邊坡失穩。 路基裂縫可分為橫向、縱向和網狀裂縫，其中橫縫可能由積水導致，縱向裂縫與土性能有關，受雨水浸潤影響，造成強度降低，而網狀裂縫多因含水量及施工原因所致。 路基下沉是指垂直方向上產生塌陷現象，其原因可能包括設計不滿足實際需求、工程地質條件差、填料質量低劣或常年積水等。 至于路基邊坡失穩，主要表現為道路斜坡坍塌現象，大多受到降雨侵蝕和地震等自然因素影響， 可按照破壞程度劃分為剝離、滑落、坍落3 類。 綜合以上病害原因，針對相應病害采取有效治理方法，確保車輛安全通行。

2 沉降觀測方法與數據處理

2.1 觀測方法

本次監測采用一種較為可靠和準確的方法，該方法通過在路基斷面上設置一系列的沉管觀測點，并在不同時間對它們進行高程測量，可以準確地獲取路基不同位置的沉降值，便于跟蹤和記錄路基的變形情況，如圖2 所示，從而有效地評估路基的穩定性和質量。

圖2 地基沉降觀測示意圖

為了詳細觀察高填方路基的沉降情況，使用成層沉降管法進行監測，在選定區間中央鉆孔，并在其中鋪設成層沉降管磁環，監測地下變形情況，如圖3 所示。 當地層有變形時，鋪設的成層沉降管磁環就會發生相應的變化。 在成層沉降管中設有成層沉降管探針，該探針包括線圈和蜂鳴器。 當管內的磁環與探針接觸時，線圈會切斷磁線，從而在線圈中產生電流。 電流的產生使得成層沉降管蜂鳴器發出聲響，表明管內的磁環位置發生了變化。 這樣，通過連續監測不同時期管內磁環的位置，可以準確掌握路基沉降的變化趨勢和速率。 需要注意的是，在進行成層沉降管法監測時，需要選擇合適的成層沉降管磁環和探針等儀器設備，并嚴格按照相關規范和標準操作。 此外，對于長期監測的情況，需要定期對儀器設備進行維護和檢修，以確保監測數據的準確性和可靠性。

圖3 分層沉降觀測示意圖

2.2 數據處理

本次對K3+027 段高填方路基進行現場監測，如圖4 所示，主要觀測了坡腳、路肩、路中位置，將沉降數據進行處理， 利用Origin 軟件繪制點線圖，包括地基沉降隨時間的變化曲線圖和地基沉降隨填土高度的變化曲線圖，如圖5 所示。

圖4 K3+027 段高填方路基現場監測示意圖

圖5 地基沉降變化曲線圖

從圖5 的沉降觀測結果可以看出， 施工開始后，因外部附加負荷而開始發生沉降，填方完成后下沉速率有所減緩；隨著填土高度的增大，沉降量也隨之增加，當施工完成后，路基仍有較大沉降量，約300 d 后趨于緩和。

3 數值分析

為了計算和分析高填方路基的沉降變形情況，需要建立相應的仿真模型并進行模擬計算。 包括以下步驟：（1）對高填方路基的結構和材料進行分析和建模，以建立真實可靠的有限元模型，通過對路基的幾何形態、地基土層特性、路基上部結構及其受力特點等方面進行綜合考慮，建立符合實際的有限元模型；（2）確定高填方路基的荷載條件，路面荷載是路基沉降變形的主要原因之一，因此需要根據實際情況確定路基的荷載條件， 如車輛荷載、交通流量、溫度等因素，以便在模擬計算中得到相應的結果；（3）利用有限元軟件進行高填方路基的模擬計算，并得到路基的沉降變形情況，在計算過程中，選擇適當的計算方法和參數，保證計算結果的準確性和可靠性；（4）根據模擬計算的結果進行分析和預測，得出高填方路基的沉降規律和預測結果。

3.1 模型的建立

針對前文提到的實際工程概況，采用有限元方法建立數值模擬分析模型，依據地勘報告并參考相關文獻，高填方路基段土層參數以及填筑材料參數如表1 所示。

表1 計算材料參數

模型施工步驟包括初始地應力平衡、第一層施工并施加施工荷載、 第二層施工并施加施工荷載、第三層施工并施加施工荷載、第四層施工并施加施工荷載、第五層施工疲勞并施加施工荷載，同時將施工時間與實際施工時間相匹配，具體的模型及網格劃分如圖6 所示。

圖6 數值模型

3.2 結果分析

經過模擬計算， 結果顯示高填方路基的累計沉降量隨填筑高度的增加而增加，第一層至第五層路基的沉降量與監測結果較為接近；由于填筑高度的增加，沉降量與監測數據的相關性逐漸減小，但仍高于80%，如圖7 所示。 需要進一步研究填筑高度與沉降量的相關性，以提高路基設計和施工的可靠性和準確性。 通過對實際工程進行有限元模擬計算，得出了高填方路基的沉降變形情況，驗證了基于有限元模擬的高填方路基沉降預測方法的可行性。

圖7 模型計算數值與實際監測數值對比分析圖

4 結論

本研究闡述了高填方路基沉降變形問題，分析了主要的沉降因素和規律，同時通過數值模擬計算和現場實測驗證，得出以下結論：（1）高填方路基沉降主要受到多種因素的影響， 其中包括路基結構、填料材料、地基土壤和環境因素等，其沉降機理主要由填料壓縮和孔隙水壓縮引起；（2）對高填方路基穩定性進行分析，發現從開始施工填筑時地基沉降與變形即受到外界荷載作用而發生變形，在路基建設完成后，地基沉降的速率逐漸平緩；（3）利用有限元模擬的方法可以準確預測高填方路基的沉降變形情況，并具有較高的可靠性和實用性。