高填方公路路基沉降以及防治措施探究

武魁

（中交一公局廈門工程有限公司，福建廈門 361000）

1 引言

隨著公路工程的快速發展，高填方公路路基建設規模也越來越大。路基的沉降速率及沉降量是評價公路工程建設質量的關鍵指標之一。但高填方公路路基的設計復雜、施工難度高，如果不清楚其沉降變形機理和影響因素，可能無法確定合理、經濟的防治方案，從而導致路面裂縫、邊坡失穩、路基沉降等，嚴重影響了行車安全。相關學者也針對公路路基沉降展開了一系列研究，如王魯川[1]以銅合高速公路為研究對象，在現場進行監測試驗，得到高填方路基工后沉降曲線，并利用雙曲線法預測出其最終沉降量，準確地評估了路基的長期穩定性；楊錦鳳[2]利用FLAC 3D 軟件分別探討邊坡高度、路側積水、增強補壓措施等因素對路基沉降量的影響，并提出將布設土工格柵、增強補壓、完善排水系統等措施應用于路基沉降處理中，以降低路基工后沉降概率。故研究高填方公路路基沉降原因以及防治措施具有十分重要的工程意義。

2 高填方公路路基沉降主要原因

高填方公路路基設計、施工等難度大，必須充分重視其沉降原因。高填方路基沉降原因主要包括以下4 個方面：第一，填料質量不合格。路基填料性能不符合規范要求會影響路基整體壓縮性，甚至破壞路基穩定性。第二，填筑工藝不科學。高填方公路路基填筑壓實工藝是影響路基沉降的關鍵因素，填筑前必須在填筑試驗段得到合理的施工參數，避免路基壓實度不足導致大面積沉降。第三，動荷載干擾。高填公路路基在施工期間，會受到各種施工機械荷載作用，影響路基結構。第四，勘察設計不合理。這是影響高填方公路路基沉降的決定性因素，如果設計單位在開展填筑方案設計和穩定性分析之前，沒有勘察清楚路基范圍內地質水文情況（尤其是遇到軟土、鹽漬土、膨脹土等特殊地質），難以確定合理的施工方案，則出現路基沉降也不可避免。

3 高填方公路路基沉降計算模型

高填方公路路基沉降等于地基沉降與路基自身壓縮之和，其中，地基沉降可利用“分層總和法”來計算，但路基填土自身壓縮變形的計算方法目前并不成熟。隨著計算機技術進步，有限元法在高填方公路路基沉降中的應用日益廣泛[3]。本文采用有限元軟件ANSYS 15.0 建立計算模型，研究了填土高度、壓實度對高填方公路路基沉降變形的影響。

3.1 工程概況

研究對象是白沙快速出口路高速公路高填方公路路基，路基整體寬度是26 m，邊坡最大高度是24 m。路基填土采用土石混合料，分3 級填筑，每級填土高度是8 m。為了更好地模擬施工過程，填土模擬高度分別取2 m、4 m、6 m、10 m、12 m、14 m、16 m、18 m、20 m、22 m、24 m，邊坡從上至下坡比分別為1∶1.5、1∶1.75、1∶2。同時，地基土寬度取200 m、地基土層分2層，分別為黏土層（20 m）和基巖（40 m）。高填方路基填土和地基土具體計算指標見表1。

表1 路基填土和地基土計算指標

3.2 計算模型建立

3.2.1 屈服準則

有限元軟件ANSYS 15.0 分析高填方公路路基的理論是基于Druker-Prager 模型（D-P 模型），該模型在模擬路堤填土力學變形所需的參數容易測定，同時可以考慮填土的抗壓強度，還能夠彌補Mohr-Coulomb 準則導數在節點處不連續的問題。D-P 準則屈服時與破壞面的函數是：

式中，a、k 為屈服材料常數；I1為應力張量的第一不變量；J2為偏應力張量的第二不變量；σ1為第一主應力；σ2為第二主應力；σ3為第三主應力。

3.2.2 邊界條件

利用有限元軟件ANSYS 15.0 軟件建立模型后，應選擇二維實體單位PLANE42（三角形六結點）進行網格劃分。由相關研究成果可知，網格尺寸對模型計算結果和計算效率影響較大。在綜合考慮高填方公路路基沉降精確度和計算機運行速度的前提下，網格尺寸選1.5 m，共劃分出單元3 824 個，節點2 435 個。

3.2.3 網格劃分

高填方路基模型底部在X 方向、Y 方向、Z 方向上進行完全約束，路基頂部和邊坡坡面屬于自由邊界條件。地基進行水平約束，只產生豎向壓縮變形。

4 高填方公路路基沉降影響因素分析

在確定計算參數、建模、劃分網格、設置邊界條件等完成之后，對高填方公路路基沉降開展計算，得出不同填土高度和壓實度下地基沉降、路基填土沉降和總變形。

不同填土高度下高填方公路路基沉降如圖1 所示。

圖1 不同填土高度下路基沉降結果

計算結果表明，隨著公路路基填土高度增加，路基本身沉降和地基沉降均呈增加趨勢，同時，地基沉降基本占高填方路基總變形75%以上。路基填土沉降增加速率先慢后快，當路基填土高度小于6 m，路堤本身沉降增加速率較慢；當路基填土高度大于14 m，路基填土沉降迅速增加。地基沉降增加速率先快后慢，當路基填土高度小于18m，地基沉降增加速率快，和填土高度基本呈線性正相關關系；當路基填土高度大于18 m，地基沉降增加幅度不明顯。主要原因：高填方路基沉降受上覆荷載影響較大，填土高度越高，自重荷載越大，使得路基填土沉降量和地基沉降量不斷增加。

JTG D30—2015《公路路基設計規范》要求高填方公路路基壓實度不得小于90%，故填土模擬壓實度分別取90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%，不同壓實度下路基沉降如圖2 所示。

圖2 不同壓實度下路基沉降結果

由圖2 可知，路基的最大沉降隨壓實度的提高而不斷降低，當高填方路基施工壓實度從90%提高到98%，路基最大沉降從8.2 cm 減小至3.2 cm，減少了60.97%。這是因為公路路基填土壓實度提高，填料抗剪強度和壓縮模量會增加，并降低路基的可壓縮性，提高其整體穩定性，使得路基沉降減小。

5 高填方公路路基沉降防治措施

高填方公路路基沉降處治不當，可能會導致邊坡失穩破壞、路面開裂等病害，會對路面使用性能、通行能力等產生直接的影響。論文結合工程經驗和相關學者的研究成果，總結了高填方公路路基沉降常用的預防和治理措施。

5.1 高填方公路路基沉降預防措施

高填方路基沉降預防措施可分設計階段和施工階段制定。在設計階段，應加強野外勘察，充分收集公路沿線地質資料，盡可能地避免高填方路堤。如果高填方路基處在填挖交界處或縱坡較大路段，可通過開挖臺階來提高路基的整體穩定性，減小路基沉降。在施工階段，應針對高填方路基制訂專項施工方案，施工前路基給兩側排水，并把原地面垃圾、樹根等雜物清理干凈。路基施工時填料要分層攤鋪、分層碾壓，確保填料達到最佳壓實度，并在路基填筑完成后對其壓實度進行檢測，如不滿足規范要求，及時整改。

5.2 高填方公路路基沉降治理措施

高填方路基沉降常見的治理措施有布設土工格柵和灌漿法等。

布設土工格柵：使用切割機將裂縫兩側的瀝青路面對稱切除一定區域，鋪筑土工格柵（用U 形鋼釘固定），然后再重鋪筑路面。適用于路面有縱向裂縫，但路基沉降變形已經穩定的情況。

灌漿法：先將路基沉降較大區域鉆孔，將漿液通過注漿管均勻注入路堤填料和地基層孔隙中，以提高路基強度和壓縮模型，減小壓縮變形。適用于高填公路方路基沉降變形大，邊坡破壞嚴重的情況。

6 結語

本文依托白沙快速出口路高速公路高填方公路路基，分析了路基沉降的影響因素，并提出了相應的防治措施，主要得到以下3 個結論：（1）路基本身沉降和地基沉降會隨著路基填土高度的增加而增加，且地基沉降基本占高填方公路路基總沉降的75%以上；（2）高填方公路路基的最大沉降隨壓實度的提高而不斷減小，當壓實度從90%提高到98%，路基最大沉降減少了60.97%；（3）高填方公路路基沉降預防措施可分設計階段和施工階段制定。高填方路基沉降常見的治理措施有布設土工格柵和灌漿法，前者適用于路面出現縱向裂縫，但路基沉降變形已經穩定的情況；后者適用于高填方公路路基沉降變形大，邊坡破壞嚴重的情況。