黃土高填方路基工后沉降對比分析

馬 淵，慶 磊

（1.中國市政工程西北設計研究院，甘肅 蘭州730000；2.甘肅臨洮經濟開發區管理委員會，甘肅 臨洮730500）

黃土高填方路基工后沉降對比分析

馬 淵1，慶 磊2

（1.中國市政工程西北設計研究院，甘肅 蘭州730000；2.甘肅臨洮經濟開發區管理委員會，甘肅 臨洮730500）

對于西北地區黃土高填方路基經常出現的工后沉降病害，通過實際工程，采用修正劍橋模型進行仿真分析，得出沉降數值結果，并總結沉降規律。分析結果與經驗公式符合較好，沉降規律與類似工程的原位測試結果一致，從而為黃土地區高填方路基的工后沉降量的設計施工提供一種分析思路。

沉降分析；修正劍橋模型；黃土；特殊路基；高邊坡

0　引言

濕陷性黃土作為第四紀沉積物的一種，廣泛分布于我國西北地區。構成黃土空間結構體系的支柱是骨架顆粒，骨架間存在著如大孔隙、架空孔隙、粒間孔隙等各種各樣的孔隙。西北地區的黃土骨架顆粒以粒狀為主，其顆粒大小介于粘土與細砂之間，呈淺黃色或黃褐色，主要是具有多孔、孔隙比較大等物理特點，是一種典型的非飽和性土。這些物理特點決定了黃土具有高壓縮性、濕陷性等力學特性。作為一種疏松的、遇水易發生濕陷和易被水流沖刷的土壤，濕陷性黃土在干燥時可以保持近乎垂直的節理，但一旦遇水，則會瞬間失穩。這種土壤作為道路高填方段的路基時，病害集中體現在路基的變形和邊坡的穩定兩方面。

在西北地區，黃土填方路堤沉陷變形比較普遍。這是由該地區黃土大部分是松散顆粒體的構造決定的。路基的變形從施工開始，一直持續到建成運營后若干年。2000年，根據長安大學辛平對甘肅境內263處高填方路基的調查結果顯示[1]，其中有病害的高填方路段127處，病害率為48.3%，主要的病害表現是路基穩定性表現欠佳，路基失穩、不均勻沉陷現象普遍存在。所以在該地區的黃土路基工程設計應特別注意路基變形方面的分析與設計。本文以實際工程為例，初步探討濕陷性黃土高填方路基的沉降變形規律及設計方法。

1　沉降機理分析

從沉降的機理上看，地基沉降分為瞬時沉降、固結沉降和次固結沉降三種。瞬時沉降是受力土體受荷后立即發生。固結沉降主要是土體受荷后產生的附加應力，使土體的孔隙減小而產生的沉降，通常這是地基沉降的主要部分。次固結沉降是在外部荷載作用下，經歷長時間，隨著孔隙水壓的消散，土體骨架緩慢蠕變產生的沉降。這三種沉降是交錯混合發生，是某一時間以一種沉降變形為主、其他兩種為輔，并不是按照某種順序先后發生[2]。

從沉降發生的部位來看，道路路基的沉降主要由兩部分組成，包括地基土的沉降和路堤填土本身的沉降。對于填土高度不大的路段來說，主要以地基的沉降為主；對于高填方路堤來說路堤自身的沉降是占總沉降的相當大的比例。由于未經處理的地基土是原狀土，壓實度不一定有路堤填土的壓實度高，同時路堤對于地基來說是外部荷載，會引起地基的變形，故荷載越大、地基變形越大；甚至在承載力超過地基土時，地基土會因為強度不夠而發生破壞。

從時間范疇上看，將道路的沉降可劃分為施工期沉降和工后沉降兩部分。施工期沉降就是各層填土在施工期間產生的沉降總和，這部分沉降是在填土施工荷載施加完成時同時完成的；工后沉降是在填土完成后，路堤在填土的自重荷載和車輛外荷載的作用下，較長時間內蠕變產生的沉降總和，這部分沉降的完成時在一定的時間段內逐步發生。對于施工期沉降，由于路基是分層壓實施工的，填土壓縮沉降速度很快，這部分沉降可以通過超填來達到設計標高，所以施工期的沉降并不會影響道路的正常運營。而工后沉降因為沉降時間長，且出現在運營期間，沉降過大直接導致路基變形、路面破壞、行車不平順等現象，直接影響交通性能，所以這部分沉降量也是我們重點關注的方面。

在《公路路基設計規范》中規定：“對于高度大于20 m的路堤，應按工后沉降量預留路基頂面加寬值；工后沉降量可按路堤高度的0.7%～1.5%估算[3]。”在公路設計手冊《路基》（第二冊）中指出：“黃土高路堤的工后下沉量與填土高度有直接關系。根據鐵路、公路的少量觀測資料，對壓實較好的高路堤，可按填土高度的1%～2%估計[4]。”鐵道科學院西北所與鐵一院經過大量的觀測研究，在實測數據基礎之上，總結出了回歸公式,對黃土高路堤的工后沉降可按下式估算：

式中:S后為竣工后的沉降量，m；H為黃土路堤高度，m。

以上的幾種算法都是在大量調查與實驗的基礎上回歸得出的，具有很強的經驗性，但是規范與手冊中的估值范圍較大，只能做大概定性的控制，而在實際的設計工作中往往根據斷面形式的不同，需要較為精確的數據為施工提供依據。本文嘗試使用有限元仿真分析的方法來計算確定最終沉降量。

2　工程實例分析

擬建凱風西道工程，道路全長8.29 km，道路總寬30 m，為甘肅省臨洮縣中鋪工業園區內的一條南北走向的主干道。該道路位于中鋪鎮內、位于蘭臨高速西側約500 m處（故蘭臨高速部分工程經驗可供借鑒）。在樁號K4+980-K5+840段由于地形變化，此處設計為高填方路段，填方高度最高可達21 m。該路段地層主要由黃土狀粉土組成，其中黃土層為沖洪積、坡擊而成，土質均勻，層厚平均7 m；勘察期間未見地下水；場地屬于Ⅳ級自重濕陷性場地。

使用平面有限元軟件midas soilworks對該斷面進行沉降固結分析，分析時間范疇涵蓋施工期與運營期，考慮填土施工時間共20 d，運營期為10 a。土體的本構模擬選用修正劍橋模型[5]，與本構模型相關的土體參數選取見表1所列。

表1　模型土體參數取值表

模擬計算時，考慮分層填土的影響，采用逐級填土、逐級加荷的模擬方式。在運營期考慮車輛荷載，按照規范規定的車輛軸重和橫向布置方式加載。

根據表1所選取的計算參數，對凱風西道K5+480處的路堤斷面進行仿真計算。因為本文重點討論路堤工后沉降，所以只列出運營階段計算結果，其他階段僅參與計算，但結果不贅述。計算模型及結果如圖1～圖3所示。

圖1　沉降計算模型

圖2　運營期平均有效應力圖示

圖3　運營期沉降量圖示

仿真計算結果圖示直觀地顯示了運營期間的沉降規律及沉降量。

3　計算結果對比

按《公路路基設計規范》中提出的方法估算，工后沉降量為填土高度的0.7%～1.5%，也就是說工后沉降應該為14.7 cm～31.5 cm之間。

按公路設計手冊《路基》（第二冊）中提出的方法估算，工后沉降量是填土高度的1%～2%之間，即為21 cm～42 cm之間。

按照鐵科院與鐵一院的經驗公式計算，工后的沉降量應為20.56 cm。

將有限元模擬結果與幾種經驗公式計算結果進行對比，發現計算結果與《公路路基設計規范》的估算方法吻合較好，比《路基》手冊和鐵路公式的計算結果較小。

4　結果分析及規律總結

在路堤的高度方向上，自上而下沉降量逐漸減小。在填土區域沉降量沿高度變化不大，路堤頂面沉降15.8 cm，在路堤底與地基交接處沉降量為14.47 cm；從路基頂面向下，沉降變化較快，沉降量逐漸向0靠攏。這是因為，填土部分的固結沉降大部分在施工期間已經完成，所以在運營期間填土部分實際的沉降只有約1.33 cm。

在路基的寬度方向上，路基表面沉降曲線呈明顯的拋物線狀，即路中至路邊，沉降量逐漸減小，路中沉降量最大為14.47 cm。明顯的，橫向固結沉降與填土高度關系密切，即有效填土高度越高，則該處地基沉降越大。這是因為填土越高，該處豎向荷載越大、沉降越大。

以上總結的規律，與長安大學在2004年對蘭臨高速的高填方路段的原位沉降觀測得出的沉降規律吻合度極高。

5　結　語

（1）通過對黃土高填方路堤沉降的研究，總結橫斷面的工后沉降量規律是路中大、兩邊小。該規律與蘭臨高速相關實驗結果一致。

（2）通過與幾種經驗公式計算結果對比，有限元分析結果與經驗公式結果基本吻合。

（3）以往預留沉降都是等厚度預留，經常會出現中間沉降大導致的路拱消失或者路中凹陷。在設計及施工中，應該按照沉降規律及沉降量來預留道路的工后沉降，具體方式是在橫斷面方向按中間高兩邊低的拋物線曲線布置，即路中預留稍厚，路邊稍薄，具體厚度可通過對仿真模型結果得出。

（4）該工程在勘察時未見地下水，故建模時并沒有考慮水位影響。如在實際工程中水位較高或需考慮水的影響時，則需要對固結與滲流做耦合模擬分析。

[1]辛平.黃土填方路堤穩定性研究[D].西安：長安大學,2000.

[2]張俊.高填方黃土路堤沉降規律研究[D].西安：長安大學,2004.

[3]JTG D30-2004，公路路基設計規范[S].

[4]交通部第二公路勘察設計院.公路設計手冊—路基（第二版）[M].北京：人民交通出版社，2001.

[5]鄧國華,邵生俊,佘芳濤.結構性黃土的修正劍橋模型[J].巖土工程學報,2012,(5).

U416.03

A

1009-7716（2016）03-0147-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.043

2015-11-30

馬淵（1984-），男，甘肅蘭州人，工程師，從事路橋工程設計工作。