杜英亮

（中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司，北京 101300）

0 引言

高速公路的投資興建，既為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了強(qiáng)大動(dòng)力，同時(shí)也有效吸納了剩余社會(huì)勞動(dòng)力，在保障民生發(fā)展的同時(shí)也促進(jìn)了社會(huì)的穩(wěn)定[1]。在高速公路建設(shè)過(guò)程中，我國(guó)普遍采用高填方路堤作為路基。這種路基形式能夠有效保持穩(wěn)固性，同時(shí)有利于避免路基受到雨水等的侵蝕，可以提升高速公路的使用壽命。由于我國(guó)幅員遼闊、地形地貌復(fù)雜，不可避免地會(huì)出現(xiàn)在軟土地基上修筑高填方路堤的情況。施工運(yùn)行中，軟基高填方路堤的穩(wěn)定性會(huì)受到影響，同時(shí)對(duì)于邊坡的保護(hù)效果會(huì)出現(xiàn)折損，容易造成高速公路在使用過(guò)程中出現(xiàn)路面開(kāi)裂、路肩失穩(wěn)、基礎(chǔ)不均勻沉降等安全隱患，既為高速公路的養(yǎng)護(hù)增添了負(fù)擔(dān)，又容易降低高速公路的承載能力[2]。本文選擇濕陷性黃土作為典型軟基，研究軟基高填方路堤的穩(wěn)定性影響因素，對(duì)其開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行定量分析，從而制定有針對(duì)性的路堤穩(wěn)定性提升措施。

1 工程概況

為了分析軟基高填方路堤的沉降情況并據(jù)此開(kāi)展路堤穩(wěn)定性研究，特選取某在建公路中的一段作為研究對(duì)象。該公路工程位于山西省忻州市岢嵐縣，屬于濕陷性黃土區(qū)域；該段公路路堤設(shè)計(jì)高度達(dá)17.92m、底寬50m。為了增強(qiáng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，采用碎石樁復(fù)合地基預(yù)壓固結(jié)法進(jìn)行基礎(chǔ)加固；考慮到當(dāng)?shù)貙?duì)流天氣特征明顯，夏季多強(qiáng)降雨，因此采用排水帶預(yù)壓加固技術(shù)進(jìn)行排水處理，排水帶呈三角形分布[3]。該公路工程相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示，并選取該公路工程中12km的長(zhǎng)度作為沉降觀測(cè)和穩(wěn)定性分析的樣本。

表1 公路工程基本技術(shù)參數(shù)（單位：m）

2 沉降規(guī)律觀測(cè)技術(shù)方案

選定樣本路段作為研究對(duì)象之后，需要對(duì)該段樣本路段的沉降量進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)并統(tǒng)計(jì)分析其變化規(guī)律，從而為路堤穩(wěn)定性分析提供依據(jù)。影響高填方路基穩(wěn)定性因素主要有路基填料性質(zhì)、邊坡坡度、地基理化性質(zhì)、水文狀況、路基壓實(shí)機(jī)具、施工方法等。對(duì)于這些影響因素很多文獻(xiàn)做出了研究，本文假設(shè)這些基本要素都處于理想狀態(tài)，進(jìn)而研究其他要素對(duì)高填方路基穩(wěn)定性的影響。

為了對(duì)樣本路段的沉降量進(jìn)行對(duì)比觀測(cè)，將該段公路劃分為三個(gè)試驗(yàn)區(qū)，每個(gè)試驗(yàn)區(qū)的長(zhǎng)度均為4km。不同試驗(yàn)區(qū)分別用數(shù)字1～3進(jìn)行標(biāo)識(shí)和區(qū)分，各個(gè)試驗(yàn)區(qū)的觀測(cè)儀器布設(shè)情況如表2所示。

表2 試驗(yàn)區(qū)觀測(cè)儀器布設(shè)情況

采用以上設(shè)備，對(duì)該樣本路段的觀測(cè)點(diǎn)沉降量、孔隙水壓力、土壓力等的變化過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)分析這些觀測(cè)值的變化判斷路堤穩(wěn)定性。

3 觀測(cè)值變化情況分析

3.1 沉降量變化情況

在半年時(shí)間內(nèi)，分四次（3月1～15日、5月15～30日、7月1～15日、10月1～15日）對(duì)試驗(yàn)區(qū)1進(jìn)行多天長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)，對(duì)于采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)區(qū)1多天長(zhǎng)時(shí)間沉降量觀測(cè)數(shù)據(jù)

對(duì)圖1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出沉降量的變化情況呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。四次觀測(cè)過(guò)程中，基本上沉降量在0～0.3cm之間變化。第1次的觀測(cè)值變化較為平緩，很大原因是當(dāng)時(shí)公路所在地區(qū)處于凍土期，氣溫極低造成土層沉降量沒(méi)有顯著變化；在5月份、7月份和10月份迎來(lái)了沉降變化劇烈的時(shí)期，一方面是因?yàn)闅夂蜃兣?、土層的沉降性開(kāi)始顯現(xiàn)，另一方面是公路上通行的車輛較多，對(duì)道路頻繁碾壓造成土質(zhì)疏松并開(kāi)始產(chǎn)生沉降變化。

3.2 孔隙水壓力變化情況

在半年時(shí)間內(nèi)，分四次（3月1～15日、5月15～30日、7月1～15日、10月1～15日）對(duì)試驗(yàn)區(qū)2進(jìn)行多天長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)，對(duì)于采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)區(qū)2多天長(zhǎng)時(shí)間空隙水壓力變化觀測(cè)數(shù)據(jù)

對(duì)圖2中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出該路段的孔隙水壓力變化值始終處于1.8×10-3MPa以下。作為影響地基圍巖穩(wěn)定性最重要的因素，地下水的變化需要重點(diǎn)關(guān)注。通過(guò)對(duì)該路段不同區(qū)位的孔隙水壓力進(jìn)行觀測(cè)，可以對(duì)當(dāng)?shù)氐牡叵滤兓闆r進(jìn)行預(yù)判，從而為公路基礎(chǔ)設(shè)計(jì)提供參考。從圖2可以看出，在全部觀測(cè)時(shí)間內(nèi)，孔隙水壓力變化較為平緩，并沒(méi)有出現(xiàn)突變情況，說(shuō)明該段公路所在區(qū)域地下水流動(dòng)情況較為穩(wěn)定，對(duì)路基及路堤的穩(wěn)定性影響較小，同時(shí)更多地是通過(guò)對(duì)路基圍巖作用產(chǎn)生沖擊作用，時(shí)間久了會(huì)對(duì)路基的承力性能產(chǎn)生綜合侵蝕作用。

3.3 土壓力變化情況

在半年時(shí)間內(nèi)，分四次（3月1～15日、5月15～30日、7月1～15日、10月1～15日）對(duì)試驗(yàn)區(qū)3進(jìn)行多天長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)，對(duì)于采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)區(qū)3多天長(zhǎng)時(shí)間土壓力變化觀測(cè)數(shù)據(jù)

對(duì)圖3中的土壓力觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以看出相對(duì)于孔隙水壓力，土壓力的變化范圍較小，最大值不會(huì)超過(guò)0.6×10-3MPa，遠(yuǎn)小于孔隙水壓力的變化。綜合4次測(cè)量值的變化情況來(lái)看，土壓力值的變化較為平緩，同時(shí)相比之下，第2次、第3次和第4次的測(cè)量值幅度較大，與圖1中的變化情況較為一致，這反映出土壓力的變化也較易受到氣候變化的影響。

4 路堤穩(wěn)定性影響因素及提升措施

4.1 路堤穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)

綜合圖1～圖3所示的結(jié)果，可以看出對(duì)于該路段的路堤穩(wěn)定性，沉降量、孔隙水壓力和土壓力都會(huì)產(chǎn)生一定的影響。為了評(píng)價(jià)各種影響因素的作用，可以采用分層總和算法對(duì)最終沉降量進(jìn)行計(jì)算，公式如下：

式中:

n——路堤沉降計(jì)算分層層數(shù)；

eoi——路堤中第i層土由靜力水準(zhǔn)連續(xù)剖面測(cè)試儀測(cè)量得到的沉降量；

e1i——對(duì)應(yīng)的測(cè)量誤差；

Δhi——第i層土的計(jì)算分層厚度；

ΔPi——第i層土的空隙水壓力；

Esi——第i層土的側(cè)限壓縮模量；

Poi——第i層土的土壓力變化值；

Pci——與土壓力相對(duì)應(yīng)的固結(jié)壓力；

Cci——相應(yīng)的土層壓縮指數(shù)；

Sc——最終沉降量。

按照公式（1），將路堤所在的路段共分為4層進(jìn)行計(jì)算，每層的分層厚度Δhi取為0.2m；相應(yīng)地固結(jié)壓力Pci取為1×10-3MPa，土層壓縮指數(shù)Cci取為1。相應(yīng)地，根據(jù)公式（1）可以計(jì)算該路段每層的最終沉降量變化曲線，如圖4所示。

圖4 路堤分層最終沉降量

公式（1）中，等號(hào)右側(cè)每一項(xiàng)分別對(duì)應(yīng)靜力水準(zhǔn)連續(xù)剖面測(cè)試儀測(cè)量得到的沉降量、因?yàn)榭紫端畨毫ψ兓a(chǎn)生的沉降量和因?yàn)橥翂毫ψ兓a(chǎn)生的沉降量，分別計(jì)算各項(xiàng)的具體數(shù)值，將其與圖4中計(jì)算得到的最終沉降量進(jìn)行比對(duì)，可以得到各影響因素對(duì)路堤沉降的綜合影響，通過(guò)影響指數(shù)的形式進(jìn)行表示，公式如下：

根據(jù)公式（2）～（4）并結(jié)合圖1～圖4的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可以得到：I靜力水準(zhǔn)=35%，I孔隙水壓=47%，I土壓力=18%。由此可見(jiàn)，在影響總沉降量的因素中，孔隙水壓力的影響最明顯，由靜力水準(zhǔn)連續(xù)剖面測(cè)試儀測(cè)量得到的沉降量對(duì)總沉降量的影響居中，土壓力的變化對(duì)總沉降量的影響最不明顯。因此，進(jìn)行路堤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該采取措施盡量減少孔隙水壓力變化帶來(lái)的沉降。

4.2 提升路堤穩(wěn)定性的措施

為了盡量減少孔隙水壓力變化對(duì)軟基高填方路堤穩(wěn)定性的影響，同時(shí)兼顧由靜力水準(zhǔn)連續(xù)剖面測(cè)試儀測(cè)量得到的沉降量和土壓力變化情況，特制定如下措施確保路堤穩(wěn)定性。

（1）通過(guò)加寬路基寬度提升路堤穩(wěn)定性。通過(guò)以上分析可以看出，靜力沉降量、孔隙水壓力、土壓力等的變化都會(huì)對(duì)路堤穩(wěn)定性造成不良影響，為了抵消這些不良影響，可以在路基寬度設(shè)計(jì)值之外增加額外碾壓寬度，給這些不良影響帶來(lái)的沉降提供緩沖，有效減少因?yàn)闆_壓不平衡帶來(lái)的偏離，避免因路基施工后沉降使其路基寬度小于設(shè)計(jì)寬度造成失穩(wěn)和失衡。

（2）選擇適宜的路基填料。填筑路基的理想填料為水穩(wěn)定性好、壓縮性小、便于施工壓實(shí)以及運(yùn)距短的土石材料。在選擇填料時(shí)，要考慮料源的經(jīng)濟(jì)性及填料的性質(zhì)是否適宜。用不同填料填筑路基時(shí)，應(yīng)分層填筑，每一水平層均應(yīng)采用同類填料。而泥炭、淤泥、凍土、強(qiáng)膨脹土及易溶鹽含量超過(guò)允許限值的土均不得用做填料。在高填路堤中采用加筋施工工藝，有著良好的效果。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文選擇特定路段作為研究對(duì)象，在排除了路基填料性質(zhì)、邊坡坡度、地基理化性質(zhì)、水文狀況、路基壓實(shí)機(jī)具、施工方法等基本因素之后，重點(diǎn)研究靜力沉降量、孔隙水壓力、土壓力等的變化對(duì)路堤穩(wěn)定性的影響。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量并對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定了影響路堤綜合穩(wěn)定性的最主要因素是孔隙水壓力的變化，其次是由靜力水準(zhǔn)連續(xù)剖面測(cè)試儀測(cè)量得到的沉降量變化，最后是土壓力的變化，據(jù)此制定了保證路堤穩(wěn)定性的措施。本文基于對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的定量分析得到了相應(yīng)的結(jié)論，可以為公路設(shè)計(jì)施工提供參考。