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)合實際工程案例，采用ANSYS有限元模擬系統(tǒng)對填方高度、邊坡坡度、填方材料、壓實度等因素對路基變形影響水平實施模擬分析，通過實際檢測數(shù)據(jù)對模擬結(jié)果進行驗證，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)場試驗檢測表明，檢測結(jié)果與模擬結(jié)果偏差為5.95%，有效驗證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，充分表明采用該模擬系統(tǒng)對高填方路基沉降變形實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 U416.1文獻標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）09-0117-03

0 引言

高填方路基填筑過程中，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，沉降過程較為復(fù)雜。長期以來，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)路面開裂、坑槽等質(zhì)量病害，嚴(yán)重威脅行車安全，增大道路維護成本。為此，該文結(jié)合實際工程案例，通過ANSYS有限元分析模型，詳細分析了填方高度、邊坡坡度、填方材料、壓實度等因素對路基變形的影響，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，對提高路基穩(wěn)定性，保證公路運營安全及使用壽命具有重要的現(xiàn)實意義。

1 模擬分析原理

根據(jù)高填方路基施工實踐，采用ANSYS有限元模擬系統(tǒng)對填方高度、邊坡坡度、填方材料、壓實度等因素對路基變形影響情況實施模擬分析，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?；诖耍x取半幅道路進行模擬分析，并構(gòu)建路基沉降有限元分析模型[1]。

通過ANSYS系統(tǒng)中的Plane42模塊構(gòu)建模型，并表示出四個節(jié)點，各節(jié)點設(shè)定x向和y向，利用平面模型對高填方路基沉降變形實施模擬，對路基力學(xué)性能進行探究，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，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自由度，對路基位移方向?qū)嵤┛刂啤Ｔ摯文M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，對路基分化網(wǎng)格，模擬分析時增大網(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 路基填筑高度對沉降變形的影響

根據(jù)某公路工程具體狀況開展路基模擬，設(shè)定路基寬度為25 m，結(jié)合工程實際特征及邊坡設(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，其坡度設(shè)置為1∶1.5；而當(dāng)高度超過8 m時，應(yīng)采用階梯形設(shè)置，上臺階坡度設(shè)置為1∶1.75，下臺階坡度設(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)量檢驗評定標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定[3]。

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

通過圖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，地基變形與路基沉降無直接關(guān)系；③根據(jù)現(xiàn)場實際檢測結(jié)果實施模擬分析，得到路基填筑高度與總沉降量之間的關(guān)系：S=0.024h+0.135。

通過具體計算能夠發(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70%。因此，在進行路基勘察設(shè)計階段，應(yīng)通過科學(xué)手段對地基實施加固處理，以有效增強地基強度，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 路基邊坡坡度對沉降變形的影響

路基填筑高度及材料等相關(guān)因素均會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度、剛度、穩(wěn)定性，對降低施工成本，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)計技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，并結(jié)合具體實踐經(jīng)驗，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)實際計算數(shù)據(jù)可知，路基坡度與沉降量呈非線性關(guān)系，邊坡坡度對沉降變形影響較小[5]。

2.3 路基填料對沉降變形的影響

路基填料類型對其壓實度具有重要影響，各種填料壓實度控制標(biāo)準(zhǔn)存在顯著差異，該工程路基填筑施工時，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。

通過表2、圖3能夠看出：①路基填料容重對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，采用黏性土進行路基填筑施工，會對生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，威脅生態(tài)平衡，而采用粉煤灰進行路基填筑，不僅能實現(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)濟效益和環(huán)保效益，是最佳的填料選擇[6]。

2.4 路基壓實度對沉降變形的影響

壓實度是決定路基承載力和穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)，高填方路基施工時應(yīng)進行嚴(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行研究，壓實度值控制在90%～98%范圍內(nèi)，對各種壓實度條件下的路基沉降變形情況實施分析，得出路基壓實度與沉降變形曲線，具體如圖4所示。

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

3 工程實踐應(yīng)用分析

結(jié)合某公路工程高填方路基實際情況，在現(xiàn)場隨機選取5個部位，按照規(guī)范要求埋設(shè)應(yīng)變計，對路基沉降變形情況實施實時監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果建立有限元模型，對路基沉降變形狀況實施模擬，并比較實測值與模擬值關(guān)系，具體如表3所示。

通過表3能夠看出：①監(jiān)測深度為15 m時，實測值與模擬值偏差最大，高達5.95%；而當(dāng)監(jiān)測深度為3 m時，二者偏差最小為1.46%；②實測值略大于模擬值，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)對施工現(xiàn)場進行全面勘察，根據(jù)勘察結(jié)果編制切實可行的施工方案，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）加強基底處理。結(jié)合現(xiàn)場實際情況，采用科學(xué)手段對路基基底進行處理，以有效提升地基強度。處理完成后，應(yīng)采用地基釬探方式進行檢測，保證地基承載力滿足規(guī)范及設(shè)計要求。

（3）嚴(yán)控路基材料。路基填筑材料對高填方路基施工質(zhì)量具有重要影響，直接決定路基強度和穩(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）路基壓實控制。壓實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)選擇壓實機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效果。

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

5 結(jié)論

綜上所述，該文結(jié)合實際工程案例，采用ANSYS有限元模擬系統(tǒng)對填方高度、邊坡坡度、填方材料、壓實度等因素對路基變形影響情況實施模擬分析，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，地基變形與路基沉降無直接關(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）壓實度越大，路基沉降量越?。粔簩嵍扔?0%增大至98%時，其沉降變形降低23.8%，可見增大路基壓實度能有效控制路基沉降變形。

（5）通過實際檢測發(fā)現(xiàn)，實測值略大于模擬值，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)對高填方路基沉降變形實施模擬分析具有較高的可行性。

參考文獻

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