高填方路堤穩定性與沉降監測分析

侯 超

（山西交通控股集團有限公司 運城高速公路分公司，山西運城 044000）

山區公路由于受到地形限制，在設計與施工過程中經常出現高填路堤和深挖路塹。高填路堤填方高度大，容易產生沉降變形[1]，如施工質量不合格甚至存在滑動風險。因此，控制高填方路基沉降變形，在設計和施工中保證路堤處于穩定狀態，是高填方路基建設的重點。山區公路高填方路基填料通常就地取材，而路堤填料直接影響路堤的穩定性。部分高填方設置土工格柵可限制填料變形[2]，進而提高路堤的穩定性。所選路堤填料普遍存在粒徑過大、填料粒徑規格不統一[3]、土質組成復雜等問題，影響壓實質量，進而降低路堤的穩定性。而土石混填路堤的施工質量控制難度大，且沉降控制難度也較大，必須做好路堤穩定性分析。隨著計算機軟件技術的不斷發展進步，采用有限元軟件進行數值模擬分析的準確率不斷提高[4]，本文依托某一級公路高填方路堤工程項目，利用有限元軟件選用有代表性的斷面，采用數值模擬分析的方法對路堤穩定性影響因素進行分析，為合理選取路堤填料、制定施工方案提供參考依據，并與現場監測結果進行對比分析，確定施工方案的合理性。

1 高填方路堤有限元模型建立

1.1 依托項目簡介

某一級公路K10+910—K11+560 段為高填方路堤，路堤最大填筑高度為58.3 m。路基共分為6 級邊坡，其中1～5 級邊坡坡度為1∶1.5，6 級邊坡坡度為1∶1.25。路堤下部地基平坦，最大坡度為16°，地基穩定性良好。路基填料選用附近路塹開挖棄方和隧道開挖棄方，主要為碎石土。

1.2 建立模型與邊界條件

選取填方高度最大的K11+450 斷面作為研究對象，利用有限元軟件建立計算模型。根據設計資料，計算模型分為6 級邊坡，計算模型如圖1所示。邊界條件：模型底邊為全約束；路基邊坡上部自由，路基頂部自由。

圖1 高填方路堤平面計算模型

1.3 填料計算參數和計算工況

對施工現場路堤填料和地基土取樣，通過室內試驗并結合現場地質勘察結果，確定路堤填料和地基土有限元計算參數如表1所示。計算工況：K10+910—K11+560 段高填方路堤選用碎石土作為路堤填料，碎石單層攤鋪厚度為40 cm，路基豎向位移計算云圖如圖2所示。可以看出，在該工況下路基中部豎向位移較大，上部和下部位移相對較小。

表1 路堤填料和地基土有限元計算參數

圖2 路堤豎向位移云圖

2 路堤穩定性影響參數分析

2.1 黏聚力影響分析

由于該項目高填方路堤最大高度達到了58.3 m，必須對高填方路堤穩定性進行分析，本文主要是對高填方路堤穩定性影響因素進行分析。根據強度折減法原理[5]，利用有限元計算模型對高填方路堤安全系數進行計算，分析各類因素對路堤穩定性的影響。按照設計資料，根據土基的計算參數，路堤填料采用碎石土，重度為20.6 kN∕m3，黏聚力為19 kPa，內摩擦角為28.8°，計算不同黏聚力對應的路堤安全系數Fs，繪制變化曲線如圖3所示。

圖3 不同黏聚力路堤安全系數變化曲線

分析圖3 曲線得出，隨路堤填料黏聚力提高，路堤安全系數不斷提高，路堤整體穩定性也不斷提高。當黏聚力較小時，隨黏聚力增加路堤安全系數增幅較大，而當黏聚力達到5 kPa 以上時路堤安全系數增幅不斷下降。因此，為了提高路堤的穩定性，不宜選擇黏聚力較小的松散材料，如砂土，應選用具有一定黏聚力的黏性材料，或選用按比例摻入黏性土的無黏性材料。

2.2 內摩擦角影響分析

同樣按照上述土基計算參數，路堤填料黏聚力選擇20 kPa，在設計工況下計算不同內摩擦角所對應路堤安全系數Fs，繪制變化曲線如圖4所示。

圖4 不同內摩擦角路堤安全系數變化曲線

分析圖4 曲線得出，隨路堤填料內摩擦角提高，路堤安全系數不斷提高，說明路堤整體穩定性隨內摩擦角提高而提升。在內摩擦角從0°增加到20°區間，路堤安全系數提高幅度較大，而到內摩擦超過20°以后，路堤安全系數提高幅度逐步下降。因此，在高填方路堤施工過程中，不應選擇內摩擦角較小的路堤填料，如黏性土，如采用黏性土，應適當加入砂土材料，以提高填料的內摩擦角，進而提升高填方路堤的穩定性。該項目路堤碎石土填料內摩擦角為28.8°，所對應的路堤安全系數較高，滿足施工要求。

2.3 填料彈性模量影響分析

路堤填料黏聚力選擇20 kPa，內摩擦角選擇28.8°，在設計工況下計算不同彈性模量所對應路堤安全系數Fs，繪制變化曲線如圖5所示。

圖5 不同彈性模量路堤安全系數變化曲線

分析圖5 得出，在路堤填料彈性模量小于200 MPa時，路堤整體安全系數出現了小幅度的波動，且計算結果較大，而彈性模量高于200 MPa 時路堤安全系數變化較小，但安全系數值較小。分析原因是路堤填料彈性模量較小時在填土自重作用下會產生較大的豎向變形，路堤固結速度快，安全系數有所提高；而當填料彈性模量較大時，路堤在填土自重作用下所產生的豎向變形較小，安全系數變化較小。

2.4 剪脹角影響分析

為研究路堤填料的剪脹性[6]，利用模型計算剪脹角對路堤穩定性的影響。路堤填料黏聚力選擇20 kPa，內摩擦角選擇28.8°，在設計工況下計算不同剪脹角所對應路堤安全系數Fs，繪制變化曲線如圖6所示。

圖6 不同剪脹角路堤安全系數變化曲線

分析圖6 曲線得出，路堤穩定安全系數隨填料剪脹角的影響較小，在剪脹角為0 時安全系數最小，超過1°以后在一定范圍內小幅波動，但整體變化不大。因此，該項目在路堤碎石土填料選擇時，不需要考慮路堤填料剪脹性的影響。

2.5 填料泊松比影響分析

路堤填料黏聚力選擇20 kPa，內摩擦角選擇28.8°，在設計工況下計算不同填料泊松比所對應路堤安全系數Fs，繪制變化曲線如圖7所示。

圖7 不同填料泊松比路堤安全系數變化曲線

分析圖7 曲線得出，路堤穩定安全系數隨填料泊松比的增加有小幅下降，但整體變化不大，說明路堤填料泊松比對路堤穩定性影響較小。分析原因是在路堤自重荷載的作用下，所產生的橫向變形隨填料泊松比增加而增加，對路堤穩定性產生了一些不利影響。因此，路堤填料選擇時，不宜選擇泊松比較大的路堤填料，建議泊松比為0.3 左右。

3 路堤沉降現場監測與分析

3.1 現場監測方案

為確定路堤的穩定性，同樣選取填方高度最大的K11+450 斷面作為研究對象，在地基頂面布置沉降板，在路堤頂面埋設觀測樁，沉降板和觀測樁均埋設在路基中心和兩側。地基沉降板測點編號為1～3 號，路堤頂面沉降測點編號為4～6 號，其中1 號和4 號測點位于路基中心位置，測點布置如圖8所示。使用精密水準儀和銦鋼尺，按照二等水準測量標準進行觀測，在完工后進行了10 個月的沉降觀測。

圖8 K11+450斷面測點布置示意圖

3.2 地基沉降監測結果分析

沉降觀測樁埋設后，進行首次觀測，以后每次觀測結果與首次觀測結果對比確定沉降量，計算確定累計沉降量。本文選取1～3 號監測板沉降量監測結果作為研究對象，繪制累計沉降變化曲線如圖9所示。

圖9 地基沉降變化曲線

分析圖9 曲線得出，在路堤填筑施工階段，地基沉降增幅較大，4 個月以后沉降速率逐步趨緩。前4 個月由于路堤填筑施工路基土自重荷載不斷增加，與施工荷載共同作用產生了較大的沉降量。4 個月以后路堤填筑施工結束，路基自重荷載不再增加，所承受的施工荷載也較少，所產生的沉降量大幅下降，沉降速率逐步趨緩。在監測完成后地基沉降量逐步趨穩，說明路堤填筑完成后地基沉降逐步趨于穩定，路堤總體結構穩定。

3.3 路堤頂面沉降監測結果分析

路堤填筑完成后，在路堤頂面埋設觀測樁，監測時間也為10 個月。統計沉降監測結果繪制路堤頂面沉降變化曲線如圖10所示。

圖10 路堤頂面沉降變化曲線

分析圖10 曲線得出，在路堤觀測前期，地基沉降變化幅度較大，3 個月以后沉降速率逐步趨緩，期間有小幅波動，監測結束時基本趨于穩定。前3 個月由于路基固結變形速度較快，沉降量也較大，而3 個月以后固結變形速率放緩，沉降量也隨之下降，期間有小幅波動，分析是由降雨量增加造成的。因此，路堤填筑完成后沉降量逐步趨于穩定，路堤總體結構穩定。

4 結論

以高填方路堤施工項目為研究背景，通過有限元分析和現場監測對路堤穩定性影響因素和路堤沉降變化規律進行分析，得出以下結論：

a）隨填料黏度增加路堤安全系數不斷增加，因此應選擇具有一定黏聚力的填料，不宜選用松散材料。

b）隨路堤填料內摩擦角增加路堤安全系數不斷提高，但內摩擦角超過20°后路堤安全系數提高幅度明顯下降，因此建議選擇內摩擦角不低于20°的路堤填料。

c）路堤填料彈性模量、剪脹角、泊松比對安全系數影響相對較小，尤其是剪脹角影響可以忽略。

d）在路堤填筑期間地基沉降增幅較大，完工后逐步趨緩；路堤頂面沉降在監測初期增幅較大，3 個月后逐步趨緩，監測完成后地基和路堤頂面沉降均趨于穩定，說明路堤總體結構穩定性良好。