馬松

摘要 為了有效探究公路工程高填方路基沉降變形特征，確定高填方路基沉降變形影響因素，文章結(jié)合實(shí)際工程案例，采用ANSYS有限元模擬系統(tǒng)對(duì)填方高度、邊坡坡度、填方材料、壓實(shí)度等因素對(duì)路基變形影響水平實(shí)施模擬分析，通過(guò)實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，判定模擬分析的可行性。ANSYS有限元模擬結(jié)果顯示：（1）高填方路基沉降變形隨壓實(shí)度增大而減小，隨填方高度增加而增大；（2）路基填料容量越大、坡度越緩，其沉降變形越小?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)表明，檢測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果偏差為5.95%，有效驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，充分表明采用該模擬系統(tǒng)對(duì)高填方路基沉降變形實(shí)施模擬分析具有較高的可行性。

關(guān)鍵詞 公路工程；高填方路基；沉降變形；影響因素；控制措施

中圖分類號(hào) U416.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）09-0117-03

0 引言

高填方路基填筑過(guò)程中，隨著填方高度的不斷增加，其重力荷載逐漸增大，沉降變形不斷累積，沉降過(guò)程較為復(fù)雜。長(zhǎng)期以來(lái)，沉降變形始終是高填方路基施工質(zhì)量控制難題。高填方路基沉降變形直接決定路基穩(wěn)定性，極易引發(fā)路面開(kāi)裂、坑槽等質(zhì)量病害，嚴(yán)重威脅行車安全，增大道路維護(hù)成本。為此，該文結(jié)合實(shí)際工程案例，通過(guò)ANSYS有限元分析模型，詳細(xì)分析了填方高度、邊坡坡度、填方材料、壓實(shí)度等因素對(duì)路基變形的影響，得到各種工況下路基沉降變形特征及基本規(guī)律，提出了科學(xué)有效的高填方路基沉降控制措施，對(duì)提高路基穩(wěn)定性，保證公路運(yùn)營(yíng)安全及使用壽命具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 模擬分析原理

根據(jù)高填方路基施工實(shí)踐，采用ANSYS有限元模擬系統(tǒng)對(duì)填方高度、邊坡坡度、填方材料、壓實(shí)度等因素對(duì)路基變形影響情況實(shí)施模擬分析，確定各種工況下路基沉降變形特征及基本規(guī)律。模擬結(jié)果顯示：高填方路基沉降變形具有整體性和同步性?；诖?，選取半幅道路進(jìn)行模擬分析，并構(gòu)建路基沉降有限元分析模型[1]。

通過(guò)ANSYS系統(tǒng)中的Plane42模塊構(gòu)建模型，并表示出四個(gè)節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)設(shè)定x向和y向，利用平面模型對(duì)高填方路基沉降變形實(shí)施模擬，對(duì)路基力學(xué)性能進(jìn)行探究，確定各種因素影響下路基沉降變形特征及基本規(guī)律。同時(shí)，設(shè)定了臨界條件，路基位移方向集中于垂直方向，約束側(cè)向位移，在基底位置布置三個(gè)自由度，對(duì)路基位移方向?qū)嵤┛刂?。該次模擬分析采用的路基填方材料沉降水平較大，地基沉降量水平較小，對(duì)路基分化網(wǎng)格，模擬分析時(shí)增大網(wǎng)格密度[2]。

2 公路工程高填方路基沉降變形影響因素

2.1 路基填筑高度對(duì)沉降變形的影響

根據(jù)某公路工程具體狀況開(kāi)展路基模擬，設(shè)定路基寬度為25 m，結(jié)合工程實(shí)際特征及邊坡設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)確定邊坡坡度，當(dāng)邊坡高度小于8 m時(shí)，其坡度設(shè)置為1∶1.5；而當(dāng)高度超過(guò)8 m時(shí)，應(yīng)采用階梯形設(shè)置，上臺(tái)階坡度設(shè)置為1∶1.75，下臺(tái)階坡度設(shè)置為1∶1.5。該工程路基填筑高度范圍內(nèi)上、下土層分別為黏土和基巖土，其厚度依次為20 cm、40 cm。各填土層壓實(shí)度存在顯著差異，其性能指標(biāo)應(yīng)滿足現(xiàn)行《公路工程質(zhì)量檢驗(yàn)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定[3]。

在對(duì)路基填筑高度超過(guò)2 m工況進(jìn)行模擬時(shí)，其填方高度與沉降變形關(guān)系曲線如圖1所示。

通過(guò)圖1能夠看出：①路基填筑高度越大，其總沉降量越大；②隨著路基填筑高度的不斷增加，其重力荷載逐漸增大，沉降變形不斷累積，總沉降量總體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，地基變形與路基沉降無(wú)直接關(guān)系；③根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果實(shí)施模擬分析，得到路基填筑高度與總沉降量之間的關(guān)系：S=0.024h+0.135。

通過(guò)具體計(jì)算能夠發(fā)現(xiàn)：因路基填筑高度增大導(dǎo)致的地基沉降變形量，在地基總體沉降量中占比高達(dá)70%。因此，在進(jìn)行路基勘察設(shè)計(jì)階段，應(yīng)通過(guò)科學(xué)手段對(duì)地基實(shí)施加固處理，以有效增強(qiáng)地基強(qiáng)度，提高承載性能，并科學(xué)控制路基填筑高度，降低路基沉降變形水平[4]。

2.2 路基邊坡坡度對(duì)沉降變形的影響

路基填筑高度及材料等相關(guān)因素均會(huì)在一定程度上影響邊坡坡度。路基邊坡設(shè)置的合理性與否直接決定路基強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性，對(duì)降低施工成本，保證施工安全具有重要作用。根據(jù)現(xiàn)行《公路工程路基設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，并結(jié)合具體實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定邊坡坡度為1∶1～1∶2，利用有限元分析模型，獲得路基坡度與沉降變形關(guān)系曲線，具體如圖2所示。

通過(guò)圖2能夠看出：①路基沉降變形隨邊坡坡度的降低逐漸減小，邊坡坡度為1∶1、1∶2工況下，路基沉降量分別為0.246 m和0.231 m；②各路基坡度條件下，路基沉降變形差異較??；③根據(jù)實(shí)際計(jì)算數(shù)據(jù)可知，路基坡度與沉降量呈非線性關(guān)系，邊坡坡度對(duì)沉降變形影響較小[5]。

2.3 路基填料對(duì)沉降變形的影響

路基填料類型對(duì)其壓實(shí)度具有重要影響，各種填料壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)存在顯著差異，該工程路基填筑施工時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照《公路工程路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T3610—2019）相關(guān)規(guī)定科學(xué)選取路基填料。通常狀況下，高填方路基施工中常采用以下幾種材料，其性能指標(biāo)如表1所示。

通過(guò)表2、圖3能夠看出：①路基填料容重對(duì)路基沉降變形具有重要影響；②路基填料容重越大，其沉降變形越大。因此，為有效控制路基沉降變形水平，應(yīng)選用重量較輕的填筑材料。實(shí)際施工中，采用粉煤灰代替黏性土，能顯著降低路基重力作用，節(jié)約土地資源。同時(shí)，采用黏性土進(jìn)行路基填筑施工，會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，威脅生態(tài)平衡，而采用粉煤灰進(jìn)行路基填筑，不僅能實(shí)現(xiàn)廢料的循環(huán)利用，而且能有效降低環(huán)境污染、節(jié)約材料成本，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益，是最佳的填料選擇[6]。

2.4 路基壓實(shí)度對(duì)沉降變形的影響

壓實(shí)度是決定路基承載力和穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)，高填方路基施工時(shí)應(yīng)進(jìn)行嚴(yán)格把控，以有效防止路基沉降變形[7]。該文選擇低液限黏土進(jìn)行研究，壓實(shí)度值控制在90%～98%范圍內(nèi)，對(duì)各種壓實(shí)度條件下的路基沉降變形情況實(shí)施分析，得出路基壓實(shí)度與沉降變形曲線，具體如圖4所示。

通過(guò)圖4能夠看出：①壓實(shí)度越大，路基沉降量越?。桓鶕?jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果得出壓實(shí)度與沉降量關(guān)系為S=?0.002 8K+0.335 3；②路基壓實(shí)度為90%和98%工況下，所對(duì)應(yīng)的沉降量分別為0.088 m和0.067 mm，因此，增大路基壓實(shí)度能有效控制路基沉降變形。

3 工程實(shí)踐應(yīng)用分析

結(jié)合某公路工程高填方路基實(shí)際情況，在現(xiàn)場(chǎng)隨機(jī)選取5個(gè)部位，按照規(guī)范要求埋設(shè)應(yīng)變計(jì)，對(duì)路基沉降變形情況實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果建立有限元模型，對(duì)路基沉降變形狀況實(shí)施模擬，并比較實(shí)測(cè)值與模擬值關(guān)系，具體如表3所示。

通過(guò)表3能夠看出：①監(jiān)測(cè)深度為15 m時(shí)，實(shí)測(cè)值與模擬值偏差最大，高達(dá)5.95%；而當(dāng)監(jiān)測(cè)深度為3 m時(shí)，二者偏差最小為1.46%；②實(shí)測(cè)值略大于模擬值，但二者偏差均處于正常范圍內(nèi)，模擬結(jié)果準(zhǔn)確性滿足要求。

4 高填方路基沉降控制措施

（1）科學(xué)編制施工方案。高填方路基填筑施工前，應(yīng)對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行全面勘察，根據(jù)勘察結(jié)果編制切實(shí)可行的施工方案，科學(xué)選擇施工技術(shù)指標(biāo)，全面提升路基填筑質(zhì)量。

（2）加強(qiáng)基底處理。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，采用科學(xué)手段對(duì)路基基底進(jìn)行處理，以有效提升地基強(qiáng)度。處理完成后，應(yīng)采用地基釬探方式進(jìn)行檢測(cè)，保證地基承載力滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求。

（3）嚴(yán)控路基材料。路基填筑材料對(duì)高填方路基施工質(zhì)量具有重要影響，直接決定路基強(qiáng)度和穩(wěn)定性，因此高填方路基填筑施工前應(yīng)科學(xué)選擇路基材料。

（4）路基壓實(shí)控制。壓實(shí)度直接決定路基承載性能，施工中應(yīng)嚴(yán)加控制。根據(jù)工程具體狀況，科學(xué)選擇壓實(shí)機(jī)械組合及施工工藝參數(shù)，并嚴(yán)格控制路基填料含水量，確保填料含水量控制在最佳含水量的±2%水平，以有效保證路基壓實(shí)效果。

（5）路基沉降觀測(cè)。為有效提升路基壓實(shí)質(zhì)量，應(yīng)科學(xué)加強(qiáng)沉降觀測(cè)，結(jié)合沉降觀測(cè)結(jié)果，準(zhǔn)確判定壓實(shí)效果。

5 結(jié)論

綜上所述，該文結(jié)合實(shí)際工程案例，采用ANSYS有限元模擬系統(tǒng)對(duì)填方高度、邊坡坡度、填方材料、壓實(shí)度等因素對(duì)路基變形影響情況實(shí)施模擬分析，其具體結(jié)論如下：

（1）隨著路基填筑高度的不斷增加，其重力荷載逐漸增大，沉降變形不斷累積，總沉降量總體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，地基變形與路基沉降無(wú)直接關(guān)系。

（2）路基沉降變形隨邊坡坡度的降低逐漸減小，路基坡度與沉降量呈非線性關(guān)系，邊坡坡度對(duì)沉降變形影響較小。

（3）路基填料容重越大，其沉降變形越大。因此，為有效控制路基沉降變形水平，應(yīng)選用重量較輕的填筑材料。

（4）壓實(shí)度越大，路基沉降量越小；壓實(shí)度由90%增大至98%時(shí)，其沉降變形降低23.8%，可見(jiàn)增大路基壓實(shí)度能有效控制路基沉降變形。

（5）通過(guò)實(shí)際檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，實(shí)測(cè)值略大于模擬值，但二者偏差均處于正常范圍內(nèi)，充分表明采用該模擬系統(tǒng)對(duì)高填方路基沉降變形實(shí)施模擬分析具有較高的可行性。

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