公路項目高填方路基段沉降變形的影響因素分析

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，文章結合實際工程案例，采用ANSYS有限元模擬系統對填方高度、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，通過實際檢測數據對模擬結果進行驗證，判定模擬分析的可行性。ANSYS有限元模擬結果顯示：（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。現場試驗檢測表明，檢測結果與模擬結果偏差為5.95%，有效驗證了模擬結果的準確性，充分表明采用該模擬系統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，沉降過程較為復雜。長期以來，沉降變形始終是高填方路基施工質量控制難題。高填方路基沉降變形直接決定路基穩定性，極易引發路面開裂、坑槽等質量病害，嚴重威脅行車安全，增大道路維護成本。為此，該文結合實際工程案例，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律，提出了科學有效的高填方路基沉降控制措施，對提高路基穩定性，保證公路運營安全及使用壽命具有重要的現實意義。

1 模擬分析原理

根據高填方路基施工實踐，采用ANSYS有限元模擬系統對填方高度、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律。模擬結果顯示：高填方路基沉降變形具有整體性和同步性。基于此，選取半幅道路進行模擬分析，并構建路基沉降有限元分析模型[1]。

通過ANSYS系統中的Plane42模塊構建模型，并表示出四個節點，各節點設定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律。同時，設定了臨界條件，路基位移方向集中于垂直方向，約束側向位移，在基底位置布置三個自由度，對路基位移方向實施控制。該次模擬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，對路基分化網格，模擬分析時增大網格密度[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

根據某公路工程具體狀況開展路基模擬，設定路基寬度為25 m，結合工程實際特征及邊坡設定標準科學確定邊坡坡度，當邊坡高度小于8 m時，其坡度設置為1∶1.5；而當高度超過8 m時，應采用階梯形設置，上臺階坡度設置為1∶1.75，下臺階坡度設置為1∶1.5。該工程路基填筑高度范圍內上、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，其性能指標應滿足現行《公路工程質量檢驗評定標準》相關規定[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，總沉降量總體呈現增大趨勢，地基變形與路基沉降無直接關系；③根據現場實際檢測結果實施模擬分析，得到路基填筑高度與總沉降量之間的關系：S=0.024h+0.135。

通過具體計算能夠發現：因路基填筑高度增大導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，在進行路基勘察設計階段，應通過科學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因素均會在一定程度上影響邊坡坡度。路基邊坡設置的合理性與否直接決定路基強度、剛度、穩定性，對降低施工成本，保證施工安全具有重要作用。根據現行《公路工程路基設計技術規程》相關規定，并結合具體實踐經驗，設定邊坡坡度為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小；③根據實際計算數據可知，路基坡度與沉降量呈非線性關系，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準存在顯著差異，該工程路基填筑施工時，應嚴格按照《公路工程路基施工技術規范》（JTG/T3610—2019）相關規定科學選取路基填料。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，節約土地資源。同時，采用黏性土進行路基填筑施工，會對生態環境造成嚴重破壞，威脅生態平衡，而采用粉煤灰進行路基填筑，不僅能實現廢料的循環利用，而且能有效降低環境污染、節約材料成本，具有顯著的經濟效益和環保效益，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定性的關鍵指標，高填方路基施工時應進行嚴格把控，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，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；根據實際測量結果得出壓實度與沉降量關系為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 工程實踐應用分析

結合某公路工程高填方路基實際情況，在現場隨機選取5個部位，按照規范要求埋設應變計，對路基沉降變形情況實施實時監測，根據監測結果建立有限元模型，對路基沉降變形狀況實施模擬，并比較實測值與模擬值關系，具體如表3所示。

通過表3能夠看出：①監測深度為15 m時，實測值與模擬值偏差最大，高達5.95%；而當監測深度為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，模擬結果準確性滿足要求。

4 高填方路基沉降控制措施

（1）科學編制施工方案。高填方路基填筑施工前，應對施工現場進行全面勘察，根據勘察結果編制切實可行的施工方案，科學選擇施工技術指標，全面提升路基填筑質量。

（2）加強基底處理。結合現場實際情況，采用科學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，應采用地基釬探方式進行檢測，保證地基承載力滿足規范及設計要求。

（3）嚴控路基材料。路基填筑材料對高填方路基施工質量具有重要影響，直接決定路基強度和穩定性，因此高填方路基填筑施工前應科學選擇路基材料。

（4）路基壓實控制。壓實度直接決定路基承載性能，施工中應嚴加控制。根據工程具體狀況，科學選擇壓實機械組合及施工工藝參數，并嚴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量，應科學加強沉降觀測，結合沉降觀測結果，準確判定壓實效果。

5 結論

綜上所述，該文結合實際工程案例，采用ANSYS有限元模擬系統對填方高度、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，總沉降量總體呈現增大趨勢，地基變形與路基沉降無直接關系。

（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，應選用重量較輕的填筑材料。

（4）壓實度越大，路基沉降量越小；壓實度由90%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）通過實際檢測發現，實測值略大于模擬值，但二者偏差均處于正常范圍內，充分表明采用該模擬系統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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