黃土填料高填方路堤壓實效果分析

劉 兵

(山西交通控股集團有限公司呂梁南高速公路分公司 汾陽市 032200)

0 引言

采用黃土作為路基填料，必須保證路基的穩定性和變形滿足要求，而路基壓實效果是影響沉降變形的最主要因素之一[1]。路基壓實質量不合格，會直接導致路基路面工后沉降變形超過容許范圍，進而出現開裂、沉陷、橋頭跳車等病害[2]，影響行車舒適性和行車安全。因此，應加強對黃土填料高填方路堤的沉降監測，檢驗路基壓實效果，及時發現問題進行處理。結合太原市太行路黃土填料高填方路堤施工案例，根據施工現場實際情況制定施工方案，并在施工過程中開展監測，分析路堤橫向和縱向變形規律，確定路基壓實效果。

1 工程概況

1.1 工程簡介

山西省太行路公路工程K6+100～K7+360段設計采用高填方路基，該施工區域地表高低起伏大。太行路公路工程為城市快速路，路堤最大填方高度約13m，路基填料采用太原東山黃土。該路段原地基為濕陷性黃土，最大濕陷深度達到11.2 m。為提高地基承載力，采用強夯法進行加固處治。路基填筑采用分層壓實和重夯相結合的方式，以保證路基的壓實質量。

1.2 黃土填料高填方路堤施工方案

高填方路堤填料選用太原東山地區的黃土，施工過程中嚴禁混入生活垃圾等雜物。嚴格控制路基填料含水率，略高于最佳含水量1%左右，以保證壓實后達到最大干密度，進而達到最大壓實度[3]。如填料含水率過大，應進行翻曬，填料含水率不足時應灑水悶料。

為了進一步提高路基壓實質量，在采用壓路機壓實的同時，進行重夯處治進一步提高路基壓實度。重夯機械選用QU20型起重機，采用質量為5 t的圓形夯錘，錘底直徑1.4 m。施工配備推土機2 臺、平地機2 臺、50t振動壓路機2 臺。施工前使用推土機對原地面進行清表，超挖2m后采用重夯進行處理，加固深度不得低于1 m，然后在路基基底通鋪1 m厚6%灰土。黃土填料分層填筑、采用振動壓路機壓實，然后再進行重夯處治。重夯夯點采用正方形布置，布置間距為2.5 m，單點夯擊能為500kN·m。重夯一共為三遍，第一遍夯擊1號主夯點，第二篇夯擊2號副夯點，第三遍夯擊全部夯點。

2 黃土填料高填方路堤沉降計算

2.1 計算方法

黃土填料高填方路堤的沉降包括路基自身壓縮變形沉降、地基土沉降、施工期間沉降和完工后沉降。本文主要研究路堤在自重作用下產生的沉降，常用的研究方法有分層總和法、數值計算法、現場監測與預測等方法。分層總和法是對路堤各個分層中心位置應力進行計算，結合室內壓縮曲線，進一步計算得出路堤總體沉降量。

(1)路堤內部應力計算公式

高填方路堤采用分層填筑，是一個逐級加載的過程，在土體自重應力的作用下各層土體產生壓縮變形。分析各土層所承受的應力，分別對各土層沉降變形進行計算，累加起來得到路堤的總變形。

為簡化計算工作量，不考慮車輛荷載的作用，各土層自重應力σi按式(1)計算。

σi=γiHi

(1)

每填筑一層，對下方各層土體的附加應力按式(2)計算：

(2)

式中：Hj、Bj為第j層填土厚度、上頂寬；Lj為第j層填土邊坡寬度；Δσij為第j層填土對第i層土體的附加應力；y為第i層和第j層土層中心高差(m)。

上方土體對第i層土體附加應力總和按式(3)計算：

(3)

(2)分層總和法計算公式

(4)

式中：Hi為第i層填土厚度；Pi為第i層填土受到的所有應力之和，Pi=σi+Δσi；ESi為第i層填土在受到所有應力作用時所對應的壓縮模量。

路堤總變形量為每層填土壓縮變形的和，按式(5)計算：

(5)

2.2 路堤沉降量計算

結合本施工案例，選取K6+300、K6+500、K6+700、K6+900、K7+100五個典型斷面，計算路堤沉降量。為了保證計算結果準確，分層厚度為1m，分別對每層壓縮變形量進行計算。五個典型斷面填層厚度分別為28 m、23 m、19 m、17m、16 m，邊坡坡度均為1∶1.5，路堤頂部寬度為32m。每隔一定厚度確定一次填土壓縮模量ES，分別按3n、3n+1、3n+2(n取值范圍為0～9)三個代表深度，Es-P冪函數擬合公式如表1所示，各典型斷面沉降計算結果如表2所示。

表1 不同代表深度Es-P冪函數擬合公式表

表2 典型斷面沉降量計算結果

3 路基變形監測方案

3.1 測點布置

路基沉降變形包括自身壓縮變形產生的沉降和地基壓縮變形產生的沉降變形兩部分，為降低地基沉降變形，采用強夯法進行加固，路堤分層填筑、分層壓實，逐層檢測壓實度，并開展沉降監測，確定路基壓實效果。在K6+100～K7+360段高填方路堤施工過程中，布置監測斷面，對填方路基內部變形情況進行監測。地基變形和路面沉降變形采用高精度數字水準儀監測，填方路基內部變形監測通過沉降儀、PVC沉降管和沉降磁環開展監測。

在填方路段，每隔200m布置一個監測斷面，分別在路基中線和兩側路肩布置3個沉降監測孔。沿線布置5個監測斷面，分別為K6+300、K6+500、K6+700、K6+900、K7+100，共布設15個孔，測點布置如圖1所示。每個沉降監測孔沿深度方向布置4個監測點，沉降磁環布置深度分別為0、3m、7m、地基頂部(最大深度為13m)位置。

圖1 高填方路堤沉降監測點布置示意圖

3.2 監測內容與監測方法

主要研究路堤的豎向沉降變形，分層埋入沉降管和沉降磁環后，使用分層沉降儀對路堤的沉降變形進行監測[4]，分析路堤內部不同深度土層的壓縮變形情況。在正式開展路堤沉降監測前，首先選取一個校核基點，通常布置在路堤施工范圍以外，并做好保護，本項目共選取3個基點。沉降監測采用XBHV-10型鋼尺分層沉降儀，通過測量每個監測點4個磁環與管頂之間的距離，計算確定沉降量。測量時首先將金屬測頭放入沉降管底部，然后自下向上依次測量各個磁環與管頂之間的距離，測頭接觸到磁環上部時會發出鳴響，記錄此時的監測數據。每個磁環觀測兩次數據，兩次數據偏差不超過2mm，取平均值作為當次監測結果[5]。根據基準點標高確定各沉降管管口標高H0，然后根據各磁環距管口距離ΔH，計算確定磁環標高H，如式(6)。

H=H0-ΔH

(6)

測點布設完成后首次測量確定各磁環初始標高，以后每次測量后標高與初始值相減確定沉降量，測量精度為1 mm。

4 路堤現場沉降監測結果分析

4.1 典型斷面橫向監測結果分析

K6+100～K7+360段高填方路堤施工完成后不久就開始運營通車，同時開展沉降監測，對填方路堤內部沉降情況進行監測，監測時間為一年。由于各斷面監測結果變化規律相近，選取五個監測斷面中填方高度最大的K6+700斷面監測結果作為研究對象，分析確定路堤橫向沉降變化規律。整理C1-3、C2-3、C3-3三個測點沉降監測數據，繪制沉降變化曲線如圖2所示。

圖2 K6+700斷面各測點沉降變化曲線

分析圖2所示曲線變化趨勢，路基中部沉降變形量最大，兩側路肩沉降變形量相對較小，均呈現前期沉降變化速率較高，后期逐步趨緩，最終達到穩定狀態。路堤中部沉降量最大，為29 mm，兩側路肩累積沉降量分別為24.5 mm和26 mm，路堤中部沉降量最高。兩側路肩沉降量存在一定的差異，填筑厚度相同，分析原因是由于路堤上部交通荷載、兩側地形、地基地質情況、壓實工藝等存在差異造成的。

4.2 路堤縱向監測結果分析

由于路堤中部的沉降變形量最大，因此取路堤中部沉降監測點的監測數據作為研究對象，對應的測點分別為C2-1、C2-2、C2-3、C2-4、C2-5五個測點。各測點監測時間為360d，收集監測數據繪制各測點沉降量隨時間變化曲線如圖3所示。

圖3 路堤中部測點沉降量變化曲線

分析圖3所示曲線變化趨勢，可以得出在監測前期各測點沉降變形量較大，變形速率較高，在監測28d后沉降量明顯下降，監測300d后逐步達到穩定狀態。分析原因是前期路堤沉降量較大，主要是由于路堤在自重和外界荷載的作用下不斷固結，而后期路堤壓縮變形不斷穩定，路堤內部逐漸固結，沉降變形逐步達到了穩定狀態。另外，各測點最終沉降量存在一定的差異，其中C2-3沉降量最大，為29 mm，而C2-5沉降量最小，為24.2 mm，分析原因是由于路堤填筑厚度不同等原因造成的。

4.3 理論計算值與實測值

結合現場監測結果，填方路堤最大沉降變形量為29 mm，各監測斷面理論計算值與實測值如表3所示。

表3 各監測斷面理論計算值與實測值

通過對比分析，可以得出理論計算值略大于實測值，分析原因主要受施工因素、取樣代表性、試驗方法等方面的影響造成的。另外，各斷面實測值均小于理論計算值，說明該路段黃土填料高填方路堤沉降量較小，路堤穩定性良好。

5 結語

在太行路高填方路堤施工過程中，采用分層壓實和重夯相結合的壓實技術，并在完工后對路基沉降變形進行監測，分析路堤橫向和縱向變形規律，得出以下結論：

(1)通過分析路堤橫向變形監測結果，得出路堤中部沉降變形最大，兩側路肩沉降變形相對較小，分析原因是由于交通荷載、地形、地質和壓實工藝等因素造成的。

(2)通過分析路堤縱向變形監測結果，各測點沉降變形規律基本一致，呈現前期變形速度快，變形量大，而后逐步趨緩，最終達到穩定狀態。

(3)統計監測結果，得出路堤橫向和縱向沉降變形均呈現前期變化大，隨監測時間逐步趨緩，并最終達到了穩定狀態，這是由于在監測前期路堤內部填土還沒有完全固結，在監測一年后逐步固結并達到了穩定狀態，說明路堤壓實達到了預期效果，壓實方案可行。