黃土地區高填方路基沉降處置措施

梁 晨,余美嫻,李金格,劉麗萍,梁 軍

（1.西安工業大學建筑工程學院,陜西 西安 710021；2.中交第一公路勘察設計研究院有限公司,陜西 西安 710075）

王麗麗[1]在對高填方路基的研究當中分析和總結了高填方路基的危害性沉降帶來的工程影響；田輝、文祥云[2]等人通過進行實地監測分析高填路基易出現的問題；鄭建國、曹杰[3-4]等人采用離心試驗模型對黃土高填路基進行分析,認為施工進度、填方高度、溝壑形狀、填筑時間等因素對填筑體的沉降具有明顯的影響因素；董琪、段旭[5]等人對已有工程進行檢測,認為黃土溝壑的不同位置對于高填路基的工后沉降的組成不同；曹杰、鄭建國[3-4]等人采用離心試驗模型對不同溝壑的邊界條件對高填路基的影響進行研究,分析“剛性”和“柔性”邊界的影響。

1 高填方路基沉降特性

在土的壓縮系數公式中=e/p,可以看出土的壓縮性主要取決于孔隙率以及受壓的情況,也就說明在高填路基中,不同的施工情況（如壓實度、含水量等）、土質、填土高度都對高填路基的總沉降量具有重要影響[6-7]。以下從3 個方面對高填方路基的特征進行描述。

（1）工程施工進度

高填方路基的填筑體沉降主要為施工過程中的分層密實沉降,而施工后沉降量在總沉降量中占比較小。從橫向上來說,路基較長,不同區域的路基受到外界的擾動也不盡相同,在遇到高填方路線較長的情況下,一般情況下采取分層填筑的時候不能橫向上一次性完成,橫向搭接的時候可能會對沉降造成影響；從縱向上來說,由于填筑體高度較大,所以應當采取分層鋪筑,還要注重縱向上的分層搭接。（2）施工質量

高填方路基往往填方工程量較大,需要大量的填筑材料在較大的區域內進行填筑。剛進行填筑時往往需要采用分層的填筑方式,所以對工程施工質量有嚴格的要求,要嚴格控制施工質量。

（3）填筑體高度大

高填路基的填方高度較大,因此填筑體的自重較大,不僅對原土層具有影響,還對自身的穩定性也有要求,尤其是在邊坡的穩定性方面。

（4）環境擾動

填方工程的基本物質條件就是填筑材料,在高填路基中,需要用到大量的填筑材料,材料的獲取往往會對當地的環境造成影響,同時填筑的時候也會對填筑地區的環境造成影響[8]。

2 黃土地區高填方路基

2.1 溝壑形狀對高填方路基的影響特征

（1）一般情況下,溝壑呈現出上寬下窄的特征,因此在進行高填方路基的填筑的時候,會呈現出兩邊距原始坡面距離近、中間距原始坡面距離遠的填筑特點,因為高填方路基沉降量和填筑深度呈線性關系,所以在溝壑中進行填筑的時候,填筑體兩邊的沉降量相對于中間的沉降量小,這個沉降量包括填筑體的沉降量還包括原始土體的沉降量。

（2）“V”形溝和“U”形溝。在進行地形研究的時候,可以把黃土地區的溝壑劃分為“V”形和“U”形兩種形式。“V”形溝的溝壑坡面相對平緩,溝壑較為狹窄；“U”形溝的溝壑坡面相對陡峭,溝壑較為寬闊。這兩種溝形對于高填方路基具有以下特性：

a.由于“U”形溝相對于“V”形溝來說,其約束較小,因此沉降量較大。

b. “V”形溝和“U”形溝所呈現出來的沉降階段特點不同。“V”形溝施工階段沉降量相對較小,但是施工后沉降量較大；“V”形溝施工階段沉降量相對較大,但是施工后沉降量較小。

c.由于兩種溝形的形態特征不一樣,所以雖然“U”形溝的沉降量相對較大,但是沉降率和“V”形溝的沉降率很接近。

2.2 溝壑邊界效應對于高填方路基的影響特征

針對“V”形溝,根據不同地理位置的地質特征,可以將邊溝的邊界條件分為“柔性”和“剛性”邊界條件。

（1）由于邊界的約束條件不一樣,所以在施工階段,“柔性”邊界條件下的高填方路基的沉降量比“剛性”邊界條件大；在施工后沉降階段,“柔性”邊界條件下的高填方路基的沉降量比“剛性”邊界條件大。

（2）“V”形溝中,“柔性”邊界條件下的高填方路基的沉降矢量要比“剛性”邊界條件下的沉降矢量更為顯著,主要原因是“柔性”邊界條件的原始土體的施工后沉降量大。

（3）在遇到雨水或者地下水等水流作用下,“剛性”邊界條件比“柔性”邊界條件下的沉降量較小。

（4）在施工階段,由于“柔性”邊界的滲透性更好,所以在進行分層壓實時,“剛性”邊界條件比“柔性”邊界條件下的壓實度較小。

3 高填方路基沉降處置措施

高填方路基研究的主要目標之一就是控制其沉降量及處置措施。高填方路基如果發生比較嚴重的整體沉降或者不均勻沉降時,很可能導致路面結構、路基結構以及道路附屬設施的損壞,對道路壽命以及形式安全造成影響,甚至會導致道路的損毀,無法正常運行,所以必須采取措施來減少和避免高填方路基的破壞性沉降。

（1）分層填筑。高填方路基的填土厚度基本都在20 m以上,如果采取一次性填筑的方式,在施工階段的壓實措施就只能提高填筑體表層一定范圍內的壓實度和密實度,而表層以下土體可能會發生不均勻沉降。如果采取一次性填筑,其施工后自然沉降量較大且持續時間較長,對道路運行造成不良影響。

（2）合理制定工期計劃。由于高填方路基工程量大,持續時間長,所以填筑難度較大,為此要合理安排施工進度,施工人員、機械和材料的運送配備要合理, 以保證在工程項目在工期內完成。

（3）基底處理。高填方路基的沉降量不僅有填筑體的沉降還包括了原始土層（基礎）的沉降,因此在控制沉降量的時候還要考慮到原始土層沉降量的控制,為此可以采取清表、換填、夯實、長螺旋鉆孔灌注樁,碎石墊層及土工格柵鋪設等方法。

（4）錯臺搭接。在進行分層填筑的時候,要考慮到高填方路基的整體性,所以進行錯臺搭接,以此來保證整體性,減少不均勻沉降。

（5）邊坡防護。邊坡在道路工程中非常的常見,同時也對道路的正常使用具有重要作用,而高填方路基的邊坡要比一般填方路基的邊坡要高許多,所以應當注重高邊坡的防護,提高邊坡穩定性。

（6）填筑體材料的選擇。通過壓縮系數=e/p,可以發現不同的土質的壓縮系數不同,除了在保證合理的施工工藝處置外,還應當注重填筑體材料的選擇。

（7）填筑體材料加固。可以運用土體加固膠結技術、注漿加固、灌注樁、土工格柵等方法提高填筑體的自身強度,同時還可以采取預壓等方法增加施工期荷載,減少高填方路基沉降。

（8）排水防水。水的作用對高填方路基沉降的影響較大,尤其是在例如黃土等特殊土地區,為了避免和減少沉降,應該在設計和施工時,注重工程當中的排水防水措施,減少水的影響。

（9）監測。針對于高填方路基,可以在竣工后進行一段時間的沉降監測,減少異常沉降發現不及時帶來的危害[8]。

4 工程實例

依托黃土地區某地新建高速公路項目,選擇該項目中K15+895 斷面高填方路基設計圖進行仿真模擬,該斷面采用臺階搭接,臺階寬2 m,以此研究分層填筑對高填方路基頂面的沉降變形影響。為了方便模型運算,將地基土設為同一種土體,路基土為夯實黃土。參照已有論文和依托工程選取土體材料參數,見表1。

表1 土體參數

在進行模擬時,為了凸顯分層填筑的施工過程,因此在ABAQUS里面使用生死單元技術,并對每一土層施加重力。通過仿真模擬可以得到豎向沉降云圖,見圖1。從云圖中可以看到：采用分層填筑時整個路的最大沉降值為12.25 cm,不采用分層填筑時最大沉降值為11.32 cm,兩種情況沉降值相近。

圖1 兩種工況下的路基沉降變形圖

圖2是路基頂面沉降折線圖,從圖中可以看出：若不采用分層填筑時,路基頂面沉降整體較小,但是沉降最大值為6.67 cm；采用分層填筑時,最大沉降僅為5.74 cm,且沉降變形較為平穩,路基頂面外側與內側的差異沉降較小,有利于控制發生在路面反射裂縫。從沉降變化趨勢可以看出,采用分層填筑有利于控制路基沉降及差異性沉降,并有利于道路的后期運營。

圖3 是路基頂面剪應力變化折線圖,從圖中可以看出：不采用分層填筑時,路基頂面的剪應力值較大,且變化較為劇烈,最大應力值可達21.12 kPa；與其相對的是采用分層填筑的路基頂面剪應力,其值最大值為10.14 kPa,且最大剪應力位置位于基巖與路基交界面。而不采用分層填筑的時候,剪應力最大的值位于路基外側,路基外側承受較大應力,不利于后期路基運營,此時應注意路基頂面的夯實處理。從圖3還可以發現,兩種情況在臺階范圍內剪應力變化相似,主要受到基巖搭接作用,這種情況同樣可以從圖2 中發現。

綜上可以得出：采用分層填筑時最大沉降位于路基中下部,而不采用分層填筑時最大沉降位移存在于路基中部；結合路基頂面沉降和剪應力變化趨勢可以得出:采用分層填筑將有利于控制路基頂面最大沉降以及差異性沉降,同時可以減小路基頂面剪應力,有利于路基的后期運營,同時通過圖1、圖2 變化趨勢可以得到：路基外側受到的沉降變化和剪應力變化較為劇烈,因此應當注意路基外側的施工處理,防止出現路面較大的反射裂縫。

5 結論和展望

通過上述的分析和研究,可以得到以下結論：

（1）在黃土地區的高填方路基的沉降主要集中在填筑體和原始土層基礎的沉降上,其不僅發生在填筑施工階段,還發生在工后階段,易受到外界環境的影響（如水流、氣候、行車動荷載等）,例如雨水和地下水等水流影響、溝壑形態的影響、邊界條件的影響、填筑材料和基礎土體的影響。

（2）針對高填方路基的沉降可以采取施工工藝和工程設計方面的措施進行防治,如填筑工藝選取、原始土層基礎處理、填筑材料加固等方面,針對于高填方路基還應當考慮其對環境的影響。

（3）在進行高填方路基和其沉降處置的方面,應該提高施工工藝以及新型材料的研究；同時應當注重在發生自然災害后（如地震等）,高填方路基的損傷探測和預測技術發展；以及綠色材料在高填方路基中的應用。