軟基高填方路堤穩(wěn)定性影響因素分析及對策

杜英亮

（中鐵十六局集團第一工程有限公司，北京 101300）

0 引言

高速公路的投資興建，既為我國經(jīng)濟發(fā)展提供了強大動力，同時也有效吸納了剩余社會勞動力，在保障民生發(fā)展的同時也促進了社會的穩(wěn)定[1]。在高速公路建設(shè)過程中，我國普遍采用高填方路堤作為路基。這種路基形式能夠有效保持穩(wěn)固性，同時有利于避免路基受到雨水等的侵蝕，可以提升高速公路的使用壽命。由于我國幅員遼闊、地形地貌復雜，不可避免地會出現(xiàn)在軟土地基上修筑高填方路堤的情況。施工運行中，軟基高填方路堤的穩(wěn)定性會受到影響，同時對于邊坡的保護效果會出現(xiàn)折損，容易造成高速公路在使用過程中出現(xiàn)路面開裂、路肩失穩(wěn)、基礎(chǔ)不均勻沉降等安全隱患，既為高速公路的養(yǎng)護增添了負擔，又容易降低高速公路的承載能力[2]。本文選擇濕陷性黃土作為典型軟基，研究軟基高填方路堤的穩(wěn)定性影響因素，對其開展現(xiàn)場測量并對測量結(jié)果進行定量分析，從而制定有針對性的路堤穩(wěn)定性提升措施。

1 工程概況

為了分析軟基高填方路堤的沉降情況并據(jù)此開展路堤穩(wěn)定性研究，特選取某在建公路中的一段作為研究對象。該公路工程位于山西省忻州市岢嵐縣，屬于濕陷性黃土區(qū)域；該段公路路堤設(shè)計高度達17.92m、底寬50m。為了增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，采用碎石樁復合地基預壓固結(jié)法進行基礎(chǔ)加固；考慮到當?shù)貙α魈鞖馓卣髅黠@，夏季多強降雨，因此采用排水帶預壓加固技術(shù)進行排水處理，排水帶呈三角形分布[3]。該公路工程相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表1所示，并選取該公路工程中12km的長度作為沉降觀測和穩(wěn)定性分析的樣本。

表1 公路工程基本技術(shù)參數(shù)（單位：m）

2 沉降規(guī)律觀測技術(shù)方案

選定樣本路段作為研究對象之后，需要對該段樣本路段的沉降量進行持續(xù)觀測并統(tǒng)計分析其變化規(guī)律，從而為路堤穩(wěn)定性分析提供依據(jù)。影響高填方路基穩(wěn)定性因素主要有路基填料性質(zhì)、邊坡坡度、地基理化性質(zhì)、水文狀況、路基壓實機具、施工方法等。對于這些影響因素很多文獻做出了研究，本文假設(shè)這些基本要素都處于理想狀態(tài)，進而研究其他要素對高填方路基穩(wěn)定性的影響。

為了對樣本路段的沉降量進行對比觀測，將該段公路劃分為三個試驗區(qū)，每個試驗區(qū)的長度均為4km。不同試驗區(qū)分別用數(shù)字1～3進行標識和區(qū)分，各個試驗區(qū)的觀測儀器布設(shè)情況如表2所示。

表2 試驗區(qū)觀測儀器布設(shè)情況

采用以上設(shè)備，對該樣本路段的觀測點沉降量、孔隙水壓力、土壓力等的變化過程進行檢測，通過分析這些觀測值的變化判斷路堤穩(wěn)定性。

3 觀測值變化情況分析

3.1 沉降量變化情況

在半年時間內(nèi)，分四次（3月1～15日、5月15～30日、7月1～15日、10月1～15日）對試驗區(qū)1進行多天長時間連續(xù)觀測，對于采集到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖1所示。

圖1 試驗區(qū)1多天長時間沉降量觀測數(shù)據(jù)

對圖1中的數(shù)據(jù)進行分析，可以看出沉降量的變化情況呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。四次觀測過程中，基本上沉降量在0～0.3cm之間變化。第1次的觀測值變化較為平緩，很大原因是當時公路所在地區(qū)處于凍土期，氣溫極低造成土層沉降量沒有顯著變化；在5月份、7月份和10月份迎來了沉降變化劇烈的時期，一方面是因為氣候變暖、土層的沉降性開始顯現(xiàn)，另一方面是公路上通行的車輛較多，對道路頻繁碾壓造成土質(zhì)疏松并開始產(chǎn)生沉降變化。

3.2 孔隙水壓力變化情況

在半年時間內(nèi)，分四次（3月1～15日、5月15～30日、7月1～15日、10月1～15日）對試驗區(qū)2進行多天長時間連續(xù)觀測，對于采集到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖2所示。

圖2 試驗區(qū)2多天長時間空隙水壓力變化觀測數(shù)據(jù)

對圖2中的數(shù)據(jù)進行分析，可以看出該路段的孔隙水壓力變化值始終處于1.8×10-3MPa以下。作為影響地基圍巖穩(wěn)定性最重要的因素，地下水的變化需要重點關(guān)注。通過對該路段不同區(qū)位的孔隙水壓力進行觀測，可以對當?shù)氐牡叵滤兓闆r進行預判，從而為公路基礎(chǔ)設(shè)計提供參考。從圖2可以看出，在全部觀測時間內(nèi)，孔隙水壓力變化較為平緩，并沒有出現(xiàn)突變情況，說明該段公路所在區(qū)域地下水流動情況較為穩(wěn)定，對路基及路堤的穩(wěn)定性影響較小，同時更多地是通過對路基圍巖作用產(chǎn)生沖擊作用，時間久了會對路基的承力性能產(chǎn)生綜合侵蝕作用。

3.3 土壓力變化情況

在半年時間內(nèi)，分四次（3月1～15日、5月15～30日、7月1～15日、10月1～15日）對試驗區(qū)3進行多天長時間連續(xù)觀測，對于采集到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 試驗區(qū)3多天長時間土壓力變化觀測數(shù)據(jù)

對圖3中的土壓力觀測數(shù)據(jù)進行分析，可以看出相對于孔隙水壓力，土壓力的變化范圍較小，最大值不會超過0.6×10-3MPa，遠小于孔隙水壓力的變化。綜合4次測量值的變化情況來看，土壓力值的變化較為平緩，同時相比之下，第2次、第3次和第4次的測量值幅度較大，與圖1中的變化情況較為一致，這反映出土壓力的變化也較易受到氣候變化的影響。

4 路堤穩(wěn)定性影響因素及提升措施

4.1 路堤穩(wěn)定性評價指標

綜合圖1～圖3所示的結(jié)果，可以看出對于該路段的路堤穩(wěn)定性，沉降量、孔隙水壓力和土壓力都會產(chǎn)生一定的影響。為了評價各種影響因素的作用，可以采用分層總和算法對最終沉降量進行計算，公式如下：

式中:

n——路堤沉降計算分層層數(shù)；

eoi——路堤中第i層土由靜力水準連續(xù)剖面測試儀測量得到的沉降量；

e1i——對應的測量誤差；

Δhi——第i層土的計算分層厚度；

ΔPi——第i層土的空隙水壓力；

Esi——第i層土的側(cè)限壓縮模量；

Poi——第i層土的土壓力變化值；

Pci——與土壓力相對應的固結(jié)壓力；

Cci——相應的土層壓縮指數(shù)；

Sc——最終沉降量。

按照公式（1），將路堤所在的路段共分為4層進行計算，每層的分層厚度Δhi取為0.2m；相應地固結(jié)壓力Pci取為1×10-3MPa，土層壓縮指數(shù)Cci取為1。相應地，根據(jù)公式（1）可以計算該路段每層的最終沉降量變化曲線，如圖4所示。

圖4 路堤分層最終沉降量

公式（1）中，等號右側(cè)每一項分別對應靜力水準連續(xù)剖面測試儀測量得到的沉降量、因為孔隙水壓力變化產(chǎn)生的沉降量和因為土壓力變化產(chǎn)生的沉降量，分別計算各項的具體數(shù)值，將其與圖4中計算得到的最終沉降量進行比對，可以得到各影響因素對路堤沉降的綜合影響，通過影響指數(shù)的形式進行表示，公式如下：

根據(jù)公式（2）～（4）并結(jié)合圖1～圖4的數(shù)據(jù)進行計算，可以得到：I靜力水準=35%，I孔隙水壓=47%，I土壓力=18%。由此可見，在影響總沉降量的因素中，孔隙水壓力的影響最明顯，由靜力水準連續(xù)剖面測試儀測量得到的沉降量對總沉降量的影響居中，土壓力的變化對總沉降量的影響最不明顯。因此，進行路堤結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應該采取措施盡量減少孔隙水壓力變化帶來的沉降。

4.2 提升路堤穩(wěn)定性的措施

為了盡量減少孔隙水壓力變化對軟基高填方路堤穩(wěn)定性的影響，同時兼顧由靜力水準連續(xù)剖面測試儀測量得到的沉降量和土壓力變化情況，特制定如下措施確保路堤穩(wěn)定性。

（1）通過加寬路基寬度提升路堤穩(wěn)定性。通過以上分析可以看出，靜力沉降量、孔隙水壓力、土壓力等的變化都會對路堤穩(wěn)定性造成不良影響，為了抵消這些不良影響，可以在路基寬度設(shè)計值之外增加額外碾壓寬度，給這些不良影響帶來的沉降提供緩沖，有效減少因為沖壓不平衡帶來的偏離，避免因路基施工后沉降使其路基寬度小于設(shè)計寬度造成失穩(wěn)和失衡。

（2）選擇適宜的路基填料。填筑路基的理想填料為水穩(wěn)定性好、壓縮性小、便于施工壓實以及運距短的土石材料。在選擇填料時，要考慮料源的經(jīng)濟性及填料的性質(zhì)是否適宜。用不同填料填筑路基時，應分層填筑，每一水平層均應采用同類填料。而泥炭、淤泥、凍土、強膨脹土及易溶鹽含量超過允許限值的土均不得用做填料。在高填路堤中采用加筋施工工藝，有著良好的效果。

5 結(jié)束語

本文選擇特定路段作為研究對象，在排除了路基填料性質(zhì)、邊坡坡度、地基理化性質(zhì)、水文狀況、路基壓實機具、施工方法等基本因素之后，重點研究靜力沉降量、孔隙水壓力、土壓力等的變化對路堤穩(wěn)定性的影響。通過現(xiàn)場測量并對測量數(shù)據(jù)進行分析，確定了影響路堤綜合穩(wěn)定性的最主要因素是孔隙水壓力的變化，其次是由靜力水準連續(xù)剖面測試儀測量得到的沉降量變化，最后是土壓力的變化，據(jù)此制定了保證路堤穩(wěn)定性的措施。本文基于對測量數(shù)據(jù)的定量分析得到了相應的結(jié)論，可以為公路設(shè)計施工提供參考。