■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(shè)的快速發(fā)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(xiàn)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(yù)測同類高填方路基變形的數(shù)值仿真模型具有重要意義。

近年來，許多學(xué)者對高填方路基穩(wěn)定性問題進行了深入研究。 溫雪芬[3]通過對山區(qū)公路進行全壽命周期內(nèi)路基穩(wěn)定性動態(tài)評價并進行風(fēng)險分級；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)上進行模型試驗，為高填方路堤沉降預(yù)測提供依據(jù)；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(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)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(zhì)條件，通過離心模型分析、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(jié)合工程實踐經(jīng)驗進行綜合論述，總結(jié)一些可行的治理措施，為今后類似工程提供參考依據(jù)；蔡云鷗[10]從勘察設(shè)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(guī)律。 國內(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(yīng)用現(xiàn)有方法建立數(shù)值仿真計算模型以預(yù)測同類高填方路基變形情況仍具有挑戰(zhàn)性，如何將現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)與前人經(jīng)驗相結(jié)合，進一步優(yōu)化設(shè)計這些模型需要深入研究；另一方面，由于我國跨地區(qū)高速公路興修項目數(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例，針對高填方路基出現(xiàn)的變形問題進行分析和探討。 通過綜合運用理論分析、 現(xiàn)場試驗與數(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)果與實測數(shù)據(jù)建立一種適應(yīng)同類高填方路基變形預(yù)測的數(shù)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(shè)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(zhì)信息、地質(zhì)圖、物理勘探等綜合調(diào)查得到地質(zhì)信息，線路區(qū)主要覆蓋有粉質(zhì)黏土、灰?guī)r，無大的地質(zhì)構(gòu)造，無大的斷裂通過，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(yīng)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(shè)計斷面如圖1 所示。

圖1 K3+027 段高填方路基設(shè)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(guān)規(guī)范并未給出統(tǒng)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(wěn)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(gòu)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(xiàn)行的公路規(guī)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(wěn)，需要進行穩(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(yè)后發(fā)生沉降和差分沉降問題，且在未來幾十年內(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)計和施工質(zhì)量對其穩(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、粒徑分布以及物理力學(xué)特性等因素都會對路基沉降產(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，如壓縮性和抗剪強度等，也會對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題，例如，氣溫波動會引發(fā)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(wěn)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(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(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)，受雨水浸潤影響，造成強度降低，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)計不滿足實際需求、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。 綜合以上病害原因，針對相應(yīng)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(shù)據(jù)處理

2.1 觀測方法

本次監(jiān)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(shè)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(wěn)定性和質(zhì)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(jiān)測，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)測地下變形情況，如圖3 所示。 當(dāng)?shù)貙佑凶冃螘r，鋪設(shè)的成層沉降管磁環(huán)就會發(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，該探針包括線圈和蜂鳴器。 當(dāng)管內(nèi)的磁環(huán)與探針接觸時，線圈會切斷磁線，從而在線圈中產(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，通過連續(xù)監(jiān)測不同時期管內(nèi)磁環(huán)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(jiān)測時，需要選擇合適的成層沉降管磁環(huán)和探針等儀器設(shè)備，并嚴格按照相關(guān)規(guī)范和標準操作。 此外，對于長期監(jiān)測的情況，需要定期對儀器設(shè)備進行維護和檢修，以確保監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性和可靠性。

圖3 分層沉降觀測示意圖

2.2 數(shù)據(jù)處理

本次對K3+027 段高填方路基進行現(xiàn)場監(jiān)測，如圖4 所示，主要觀測了坡腳、路肩、路中位置，將沉降數(shù)據(jù)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(xiàn)場監(jiān)測示意圖

圖5 地基沉降變化曲線圖

從圖5 的沉降觀測結(jié)果可以看出， 施工開始后，因外部附加負荷而開始發(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)的仿真模型并進行模擬計算。 包括以下步驟：（1）對高填方路基的結(jié)構(gòu)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(tài)、地基土層特性、路基上部結(jié)構(gòu)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(jù)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(yīng)的結(jié)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(dāng)?shù)挠嬎惴椒ê蛥?shù)，保證計算結(jié)果的準確性和可靠性；（4）根據(jù)模擬計算的結(jié)果進行分析和預(yù)測，得出高填方路基的沉降規(guī)律和預(yù)測結(jié)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(shù)值模擬分析模型，依據(jù)地勘報告并參考相關(guān)文獻，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，同時將施工時間與實際施工時間相匹配，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)過模擬計算， 結(jié)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(jiān)測結(jié)果較為接近；由于填筑高度的增加，沉降量與監(jiān)測數(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(yù)測方法的可行性。

圖7 模型計算數(shù)值與實際監(jiān)測數(shù)值對比分析圖

4 結(jié)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(guī)律，同時通過數(shù)值模擬計算和現(xiàn)場實測驗證，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，其沉降機理主要由填料壓縮和孔隙水壓縮引起；（2）對高填方路基穩(wěn)定性進行分析，發(fā)現(xiàn)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(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確預(yù)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。