■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(yáng) 712000）

隨著我國(guó)公路建設(shè)的快速發(fā)展，高填方路基日漸普及，然而這種類(lèi)型的路基在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中容易出現(xiàn)大量變形[1]問(wèn)題，尤其是沉陷缺陷[2]，對(duì)公共安全和交通效率造成嚴(yán)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(yù)測(cè)同類(lèi)高填方路基變形的數(shù)值仿真模型具有重要意義。

近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)高填方路基穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。 溫雪芬[3]通過(guò)對(duì)山區(qū)公路進(jìn)行全壽命周期內(nèi)路基穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)；劉姍[4]分析了高填方路堤的沉降規(guī)律和失穩(wěn)因素，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模型試驗(yàn)，為高填方路堤沉降預(yù)測(cè)提供依據(jù)；張亞彩[5]針對(duì)高填方路基的開(kāi)裂沉陷原因進(jìn)行分析，為同類(lèi)工程的破壞處置提供參考；牛小玲[6]運(yùn)用ANSYS 有限元軟件建立高填方路基模型，通過(guò)數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，認(rèn)為模擬計(jì)算準(zhǔn)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(zhì)條件，通過(guò)離心模型分析、回歸分析探究其沉降規(guī)律和穩(wěn)定性；武魁[8]依托實(shí)際工程項(xiàng)目， 采用ANSYS 有限元軟件建立計(jì)算模型， 研究填土高度等對(duì)路基最大沉降的影響；趙玉國(guó)等[9]通過(guò)對(duì)高填方路堤常見(jiàn)病害機(jī)理的分析，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合論述，總結(jié)一些可行的治理措施，為今后類(lèi)似工程提供參考依據(jù)；蔡云鷗[10]從勘察設(shè)計(jì)和施工方面分析沉降原因，依托實(shí)際工程，利用FLAC3D 有限元軟件建立模型分析沉降變化規(guī)律。 國(guó)內(nèi)外已有很多關(guān)于高填方路基的變形特性及其原因、預(yù)測(cè)模型、治理措施等方面的研究成果，但在以下幾個(gè)方面尚存在不足：一方面，應(yīng)用現(xiàn)有方法建立數(shù)值仿真計(jì)算模型以預(yù)測(cè)同類(lèi)高填方路基變形情況仍具有挑戰(zhàn)性，如何將現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與前人經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)這些模型需要深入研究；另一方面，由于我國(guó)跨地區(qū)高速公路興修項(xiàng)目數(shù)量眾多，迫切需要找到適應(yīng)各種可能影響因素（如地質(zhì)條件、交通運(yùn)輸環(huán)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(shí)例，針對(duì)高填方路基出現(xiàn)的變形問(wèn)題進(jìn)行分析和探討。 通過(guò)綜合運(yùn)用理論分析、 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)值模擬方法，探討高填方路基變形原因及解決方案，并結(jié)合仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立一種適應(yīng)同類(lèi)高填方路基變形預(yù)測(cè)的數(shù)值仿真模型。

1 工程概況

某繞城公路為雙向四車(chē)道一級(jí)公路，設(shè)計(jì)行車(chē)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(guò)獲取地質(zhì)信息、地質(zhì)圖、物理勘探等綜合調(diào)查得到地質(zhì)信息，線(xiàn)路區(qū)主要覆蓋有粉質(zhì)黏土、灰?guī)r，無(wú)大的地質(zhì)構(gòu)造，無(wú)大的斷裂通過(guò)，地表水不發(fā)育，主要為大氣中的降水集中釋放產(chǎn)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(huì)對(duì)道路施工造成影響，但下大雨時(shí)地表徑流會(huì)對(duì)路基路面造成破壞性影響，應(yīng)采取截流、排水措施。 項(xiàng)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(jìn)行分析，其設(shè)計(jì)斷面如圖1 所示。

圖1 K3+027 段高填方路基設(shè)計(jì)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(duì)的概念，目前相關(guān)規(guī)范并未給出統(tǒng)一的判斷標(biāo)準(zhǔn)。 高填方路基也被稱(chēng)為高路堤，通常指那些高度顯著超過(guò)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(wěn)定性問(wèn)題的路基。

1.1.2 高填方路基的特點(diǎn)

高填方路基是一種由填料構(gòu)成的路基類(lèi)型，填方高度通常超過(guò)6 m，并需要大量填方土。 然而，在我國(guó)現(xiàn)行的公路規(guī)范中，并沒(méi)有給出對(duì)高填方路基明確嚴(yán)格的定義。 高填方路基有一些顯著特點(diǎn)，如因填筑高度的增加，使得路基容易失穩(wěn)，需要進(jìn)行穩(wěn)定性分析以保證安全使用；高填方路基的建設(shè)需用到很多填料且占地大，增加了重量，可能導(dǎo)致路基沉降，因此施工要求較高，需要進(jìn)行多次壓實(shí)處理來(lái)控制沉降情況；由于高嵌入、大面積等特點(diǎn)，高填方路基容易在作業(yè)后發(fā)生沉降和差分沉降問(wèn)題，且在未來(lái)幾十年內(nèi)可能繼續(xù)下沉。

1.1.3 沉降的影響因素和主要機(jī)理

高填方路基結(jié)構(gòu)中沉降受到許多因素的影響，主要包括以下幾個(gè)方面：（1）路基結(jié)構(gòu)，作為影響高填方路基沉降的重要因素之一，路基結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量對(duì)其穩(wěn)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(lèi)、粒徑分布以及物理力學(xué)特性等因素都會(huì)對(duì)路基沉降產(chǎn)生不同程度的影響；（3）地基土壤，地基土壤的物理力學(xué)特性，如壓縮性和抗剪強(qiáng)度等，也會(huì)對(duì)高填方路基的沉降起到關(guān)鍵影響；（4）環(huán)境因素，氣候與水文環(huán)境等因素亦可能導(dǎo)致高填方路基的沉降問(wèn)題，例如，氣溫波動(dòng)會(huì)引發(fā)路基材料的熱脹冷縮進(jìn)而影響沉降，而降雨則會(huì)使路基材料吸水膨脹從而影響其穩(wěn)定性。

高填方路基沉降的主要機(jī)理可以歸納為2 個(gè)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(shí)， 填筑材料會(huì)發(fā)生彈性和塑性變形，導(dǎo)致其體積減小并產(chǎn)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(shí)發(fā)生壓縮變形，引起體積減小并造成沉降。

1.1.4 主要病害問(wèn)題

了解高填方病害問(wèn)題對(duì)于保證荷載車(chē)輛的正常行駛至關(guān)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(wěn)。 路基裂縫可分為橫向、縱向和網(wǎng)狀裂縫，其中橫縫可能由積水導(dǎo)致，縱向裂縫與土性能有關(guān)，受雨水浸潤(rùn)影響，造成強(qiáng)度降低，而網(wǎng)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(chǎn)生塌陷現(xiàn)象，其原因可能包括設(shè)計(jì)不滿(mǎn)足實(shí)際需求、工程地質(zhì)條件差、填料質(zhì)量低劣或常年積水等。 至于路基邊坡失穩(wěn)，主要表現(xiàn)為道路斜坡坍塌現(xiàn)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(lèi)。 綜合以上病害原因，針對(duì)相應(yīng)病害采取有效治理方法，確保車(chē)輛安全通行。

2 沉降觀測(cè)方法與數(shù)據(jù)處理

2.1 觀測(cè)方法

本次監(jiān)測(cè)采用一種較為可靠和準(zhǔn)確的方法，該方法通過(guò)在路基斷面上設(shè)置一系列的沉管觀測(cè)點(diǎn)，并在不同時(shí)間對(duì)它們進(jìn)行高程測(cè)量，可以準(zhǔn)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(píng)估路基的穩(wěn)定性和質(zhì)量。

圖2 地基沉降觀測(cè)示意圖

為了詳細(xì)觀察高填方路基的沉降情況，使用成層沉降管法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在選定區(qū)間中央鉆孔，并在其中鋪設(shè)成層沉降管磁環(huán)，監(jiān)測(cè)地下變形情況，如圖3 所示。 當(dāng)?shù)貙佑凶冃螘r(shí)，鋪設(shè)的成層沉降管磁環(huán)就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。 在成層沉降管中設(shè)有成層沉降管探針，該探針包括線(xiàn)圈和蜂鳴器。 當(dāng)管內(nèi)的磁環(huán)與探針接觸時(shí)，線(xiàn)圈會(huì)切斷磁線(xiàn)，從而在線(xiàn)圈中產(chǎn)生電流。 電流的產(chǎn)生使得成層沉降管蜂鳴器發(fā)出聲響，表明管內(nèi)的磁環(huán)位置發(fā)生了變化。 這樣，通過(guò)連續(xù)監(jiān)測(cè)不同時(shí)期管內(nèi)磁環(huán)的位置，可以準(zhǔn)確掌握路基沉降的變化趨勢(shì)和速率。 需要注意的是，在進(jìn)行成層沉降管法監(jiān)測(cè)時(shí)，需要選擇合適的成層沉降管磁環(huán)和探針等儀器設(shè)備，并嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)操作。 此外，對(duì)于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的情況，需要定期對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和檢修，以確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

圖3 分層沉降觀測(cè)示意圖

2.2 數(shù)據(jù)處理

本次對(duì)K3+027 段高填方路基進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，如圖4 所示，主要觀測(cè)了坡腳、路肩、路中位置，將沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行處理， 利用Origin 軟件繪制點(diǎn)線(xiàn)圖，包括地基沉降隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)圖和地基沉降隨填土高度的變化曲線(xiàn)圖，如圖5 所示。

圖4 K3+027 段高填方路基現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)示意圖

圖5 地基沉降變化曲線(xiàn)圖

從圖5 的沉降觀測(cè)結(jié)果可以看出， 施工開(kāi)始后，因外部附加負(fù)荷而開(kāi)始發(fā)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(dāng)施工完成后，路基仍有較大沉降量，約300 d 后趨于緩和。

3 數(shù)值分析

為了計(jì)算和分析高填方路基的沉降變形情況，需要建立相應(yīng)的仿真模型并進(jìn)行模擬計(jì)算。 包括以下步驟：（1）對(duì)高填方路基的結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行分析和建模，以建立真實(shí)可靠的有限元模型，通過(guò)對(duì)路基的幾何形態(tài)、地基土層特性、路基上部結(jié)構(gòu)及其受力特點(diǎn)等方面進(jìn)行綜合考慮，建立符合實(shí)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(jù)實(shí)際情況確定路基的荷載條件， 如車(chē)輛荷載、交通流量、溫度等因素，以便在模擬計(jì)算中得到相應(yīng)的結(jié)果；（3）利用有限元軟件進(jìn)行高填方路基的模擬計(jì)算，并得到路基的沉降變形情況，在計(jì)算過(guò)程中，選擇適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法和參數(shù)，保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性；（4）根據(jù)模擬計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，得出高填方路基的沉降規(guī)律和預(yù)測(cè)結(jié)果。

3.1 模型的建立

針對(duì)前文提到的實(shí)際工程概況，采用有限元方法建立數(shù)值模擬分析模型，依據(jù)地勘報(bào)告并參考相關(guān)文獻(xiàn)，高填方路基段土層參數(shù)以及填筑材料參數(shù)如表1 所示。

表1 計(jì)算材料參數(shù)

模型施工步驟包括初始地應(yīng)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(shí)將施工時(shí)間與實(shí)際施工時(shí)間相匹配，具體的模型及網(wǎng)格劃分如圖6 所示。

圖6 數(shù)值模型

3.2 結(jié)果分析

經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算， 結(jié)果顯示高填方路基的累計(jì)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(jiān)測(cè)結(jié)果較為接近；由于填筑高度的增加，沉降量與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的相關(guān)性逐漸減小，但仍高于80%，如圖7 所示。 需要進(jìn)一步研究填筑高度與沉降量的相關(guān)性，以提高路基設(shè)計(jì)和施工的可靠性和準(zhǔn)確性。 通過(guò)對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行有限元模擬計(jì)算，得出了高填方路基的沉降變形情況，驗(yàn)證了基于有限元模擬的高填方路基沉降預(yù)測(cè)方法的可行性。

圖7 模型計(jì)算數(shù)值與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)值對(duì)比分析圖

4 結(jié)論

本研究闡述了高填方路基沉降變形問(wèn)題，分析了主要的沉降因素和規(guī)律，同時(shí)通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)驗(yàn)證，得出以下結(jié)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(jié)構(gòu)、填料材料、地基土壤和環(huán)境因素等，其沉降機(jī)理主要由填料壓縮和孔隙水壓縮引起；（2）對(duì)高填方路基穩(wěn)定性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)從開(kāi)始施工填筑時(shí)地基沉降與變形即受到外界荷載作用而發(fā)生變形，在路基建設(shè)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(zhǔn)確預(yù)測(cè)高填方路基的沉降變形情況，并具有較高的可靠性和實(shí)用性。