高填方多級擋土墻路基沉降規(guī)律與穩(wěn)定性數(shù)值模擬分析

劉源姝

摘要 山區(qū)公路的建設(shè)受地形限制會出現(xiàn)高填深挖的路基，這種路基穩(wěn)定性較差，沉降量較大。為了保證道路的穩(wěn)定性該地區(qū)在進行施工時應(yīng)保證足夠的壓實度，并進行沉降觀測等。文章針對高填方路基進行了以下內(nèi)容研究：通過實際工程對高填路堤進行沉降試驗，并設(shè)置沉降樁進行沉降觀測。通過D-P模型對高填路基進行分析，得到了有限元模型的局限性。以上內(nèi)容的分析為治理高填方路基沉降提供了理論依據(jù)和方法。

關(guān)鍵詞 交通荷載等級;空心板;裂縫;加固措施

中圖分類號 U416.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）02-0120-03

0 引言

隨著我國高速公路向山區(qū)的快速發(fā)展，也遇到了相關(guān)的技術(shù)問題，如高填方路基出現(xiàn)沉降，穩(wěn)定性不足等。我國山區(qū)高速公路建設(shè)過程中由于地形起伏、地質(zhì)變化多樣、交通運輸困難，所以路基填高的石料主要來源于山體開挖和隧道爆破[1]。而這些材料主要是土石混合料，為遵循文明施工、節(jié)約用地、保護環(huán)境的宗旨，移挖做填已經(jīng)成為路基施工常用的土方調(diào)配方法。所以高速公路在建設(shè)過程中出現(xiàn)高填方路段是不可避免的[2]。這種地區(qū)仍然存在施工技術(shù)和施工控制問題，路基邊坡的穩(wěn)定性和沉降預(yù)測以及施工控制仍然是重點待解決問題。

1 案例分析

1.1 工程概況

該文所依托工程為某三級公路，公路全長為50 km，設(shè)計速度為30 km/h，路基寬度為8.5 m，設(shè)計標準采用雙向兩車道。公路所在地區(qū)海拔140～626 m。該地區(qū)地勢呈現(xiàn)西北高、東南低變化，路線范圍內(nèi)溝壑縱橫。地貌形態(tài)可劃分為構(gòu)造剝侵蝕中低山、構(gòu)造剝侵丘陵、剝侵堆積河谷。地表巖石風(fēng)化程度較大，下部巖石完整性較好。

項目所在地區(qū)氣候類型為亞熱帶季風(fēng)性氣候。主要氣候特點為溫州屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，冬季盛行從大陸吹來的偏北風(fēng)，氣溫較低，雨水較少，濕度蒸發(fā)較小。

1.2 超高填方路基沉降試驗方案

項目K32+670斷面路基形式為半填半挖路基，填方路基邊坡高度為51.56 m，路基一側(cè)靠近山體，一側(cè)為農(nóng)田。因此填方部位放坡受到限制，為降低邊坡的滑動力，增加邊坡穩(wěn)定性，設(shè)計了多級擋土墻進行支擋，如圖1所示。

項目進行沉降觀測時，采用CJY80系列沉降儀與DS水準儀結(jié)合觀測。沉降導(dǎo)管沿道路橫向進行埋設(shè)。由于施工過程對沉降管的破壞，最終導(dǎo)致監(jiān)測管只剩下2#和6#。2#監(jiān)測管對應(yīng)道路樁號為K32+670，監(jiān)測管位置位于三級擋墻墻身4.05 m高度處。與墻背距離為34.5 m。監(jiān)測管總長為22.8 m。6#監(jiān)測管對應(yīng)道路樁號為K32+670，監(jiān)測管長為9.84 m。路基施工完成后，應(yīng)對其進行沉降觀測。2#監(jiān)測點共設(shè)置7個磁環(huán)，6#監(jiān)測點共設(shè)置4個磁環(huán)。

在進行沉降觀測前，對沉降監(jiān)測儀和元件的埋設(shè)有以下要求：

（1）將最下方的沉降管端部進行密封，埋設(shè)山體內(nèi)，同時澆筑混凝土與山體形成整體，保證不發(fā)生較大沉降。

（2）填方路基施工時，填土高度接近沉降管管頂時，繼續(xù)連接第二根沉降管，直到沉降管漏出路基頂。

（3）管外2～4 m間距套上磁環(huán)，保證磁環(huán)隨該地層而變化。

1.3 試驗結(jié)果分析

（1）2#觀測點沉降規(guī)律。沉降曲線以58天為界限，58天前沉降變化劇烈，58天后沉降變化趨于穩(wěn)定。累計沉降量與高度之間呈非線性關(guān)系。高填路基沉降表現(xiàn)為正沉降，路基向上隆起。

（2）6#觀測點沉降規(guī)律。6#觀測點沉降變化曲線同樣以58天為界限，分為劇烈變化和穩(wěn)定沉降兩個過程。58天后，沉降量趨于穩(wěn)定，表明填方路基沉降完成。

高填路基沉降量預(yù)測曲線為S=?Alnt+B，其中S表示總的沉降量，單位為mm，A、B為常數(shù)，t為時間，單位為d。

1.4 全填方路基沉降試驗方案

全填方路基沉降試驗依據(jù)K29+400～500，路基填土最大高度為27.5 m。在K29+435樁號處，路基頂下面20 m處設(shè)置第一層沉降管，然后以4 m間距布置，共布置5層。沉降觀測如圖2所示。

為保證試驗效果，施工時，沉降管埋設(shè)按如下設(shè)計：

（1）開挖溝槽：沿路基橫斷面進行溝槽的開挖，溝槽尺寸為（0.5×0.3）m。然后對槽底進行整平，避免施工造成沉降管頂損害。

（2）溝槽墊土：利用細土鋪設(shè)沉降管墊層，細土厚度應(yīng)>15 cm。

（3）將沉降管放于溝槽內(nèi)，通過螺絲連接，保證沉降管軸線的水平度。

（4）填平：沉降管連接后，將溝槽填平，并進行壓實，保證壓實度大于96%。

1.5 試驗結(jié)果分析

通過對全填方沉降觀測發(fā)現(xiàn)，路基沉降規(guī)律為中部沉降量較大，路基邊緣沉降量較小。沉降變化分為快速增長階段和穩(wěn)定增長階段。從路基橫斷面分析，邊坡到路基10 m深位置，沉降量增加較快，然后沉降量增加速率降低。施工時應(yīng)注意，路基邊1/12寬度范圍內(nèi)，應(yīng)避免欠壓現(xiàn)象。中部位置應(yīng)增大壓實功率，避免出現(xiàn)裂縫。

1.6 沉降樁監(jiān)測試驗方案

為保證路基的穩(wěn)定性同時避免不均勻沉降帶來危害，在強夯壓實后的路基表面埋設(shè)沉降樁進行沉降斷面觀測，每層的觀測裝布置點為左側(cè)路肩和右側(cè)路肩以及中央分隔帶。具體布置如圖3所示。

1.7 試驗結(jié)果分析

由于路基的填筑等可能導(dǎo)致地基出現(xiàn)較大沉降。在外部荷載的作用下，路基沉降一般分為初始沉降、固結(jié)沉降和次固結(jié)沉降三個階段。在外荷載作用下路基的3種變形模式皆有可能出現(xiàn)，其中，初始沉降是在路基加載的瞬時出現(xiàn)的，路基內(nèi)的空隙水無法及時排出，發(fā)生剪切變形，使得土體只發(fā)生形狀的變化而無體積變化;固結(jié)沉降是路基沉降變形的主體組成部分，此時路基往往是由于土顆粒在外荷載作用下出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象所引起的。路基的總沉降變形[3]：

S=Sd+Ss+Sc? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：Sd為初始沉降，Ss為固結(jié)沉降，Sc為次固結(jié)沉降。

填方路基沉降變化發(fā)生過程主要為：發(fā)生、發(fā)展、成熟、極限四個階段。

施工前期，土體處于彈性狀態(tài)時，對土體施加壓力，土中孔隙水不能及時排除而發(fā)生側(cè)向變形。同時土體發(fā)生剪切變形，當荷載增加時，沉降量呈線性增長。

施工中后期，荷載繼續(xù)增加，高填路基承受荷載越來越大。當填高達到一定程度后，路基中的孔隙水被擠出，超靜孔隙水壓力減小。土體壓縮變形，基底變形量減小，土體進入彈塑性狀態(tài)。

工后前期，荷載不再增加，孔隙水壓力完全消散，固結(jié)過程尚未完成，沉降繼續(xù)發(fā)生，但沉降速率降低。

2 有限元分析

2.1 半填半挖高填路基分析

2.1.1 模型建立

所依托工程為半填半挖路基，中心樁號為K32+670。高路段最大填土高度為51.56 m，填方路基靠近山體。因此填方部位放坡受到限制，為降低邊坡的滑動力，增加邊坡穩(wěn)定性，設(shè)計了多級擋土墻進行支擋。

2.1.2 材料參數(shù)選取

模型建立過程材料參數(shù)選取如表1所示。

2.1.3 計算結(jié)果分析

為保證數(shù)值模擬具有一定的可靠性，現(xiàn)將全填方的模擬值與路基施工后7個月的實測值進行對比分析，結(jié)果如表2所示。

通過表2可知：不同監(jiān)測點處的試驗值大于模擬值，造成該現(xiàn)象的原因為施工過程中的壓實度不足;模型不能較好體現(xiàn)土體側(cè)向流動，對固結(jié)度計算、邊界條件的設(shè)定存在一定難度，因此產(chǎn)生一定程度誤差。

2.2 全填方路基分析

2.2.1 模型建立

對全填方路基進行模擬分析時，按平面應(yīng)變問題進行，利用方法為總應(yīng)力法。模擬過程中忽略土體排水固結(jié)和土體應(yīng)力[4]。通過D-P模型分析土體非線性變化。對分層填土和分層壓實進行模擬時，計算單元按填高1 m設(shè)置。固結(jié)計算時，孔隙水壓力變化依據(jù)一維滲流問題來解決。模型底部為鏈桿，對垂直位移進行約束。路床邊界為水平鏈桿，對水平方向位移進行約束。其他邊界為自由邊界。

2.2.2 材料參數(shù)選取

模型建立過程材料參數(shù)選取如表3所示。

2.2.3 計算結(jié)果分析

為保證數(shù)值模擬具有一定的可靠性，現(xiàn)將全填方的模擬值與路基施工后7個月的實測值進行對比分析，結(jié)果如表4所示。

通過表4可知：全填方路基試驗值與模擬值變化情況與2.1.3分析結(jié)果相同。且壓實度不足表現(xiàn)最顯著的位置為靠近道路中心線處。

3 結(jié)語

通過高填方路基沉降變化及穩(wěn)定性分析得到以下結(jié)論：

（1）通過對半填半挖高填路基和全填方路基進行分析可知，沉降量與時間關(guān)系滿足公式：S=?Alnt+B。

（2）通過模型對高填路基進行分析時，由于D-P模型不能較好體現(xiàn)土體側(cè)向流動，對固結(jié)度計算、邊界條件的設(shè)定存在一定難度，因此產(chǎn)生一定程度誤差。

參考文獻

[1]鄧爽，魏述和.公路軟土路基的加固處理及沉降觀測[J].四川水泥，2021（2）：265-266.

[2]魏翔.軟土路基斜交構(gòu)筑物過渡段沉降觀測點布設(shè)方法研究[J].湖南交通科技，2020（4）：50-52+98.

[3]常文.淺談高速鐵路路基工程沉降觀測中自動化監(jiān)測技術(shù)控制要點[J].甘肅科技，2020（24）：90-92.

[4]霍雨佳.公路高填方路基處理工藝實踐分析[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2020（23）：152-153.