信息化施工在高速公路路堤工程中的应用

王 友 顺

(驻马店市公路管理局，河南 驻马店 463000)



信息化施工在高速公路路堤工程中的应用

王 友 顺

(驻马店市公路管理局，河南 驻马店 463000)

通过模拟分析软土路基的变形规律，制定了路堤工程施工及监测方案，根据施工监测资料反演路基土体参数，进行施工动态模拟，并对施工方案进行优化，满足了施工期路基稳定性及沉降控制要求，最后预测了路堤的工后沉降及沉降速率，判定了工程质量及监测周期。

路堤工程，信息化施工，数值模拟，参数反演

0 引言

工程实践表明，对于修筑在软土地基上的高速公路，其发生工程病害的主要诱因是路堤的工后超预期沉降与路堤边坡失稳[1]。为此，近年来信息化施工技术被越来越广泛地应用到高速公路路堤工程建设中。所谓信息化施工，是指通过详细分析施工监测和检测资料，制定和优化后续施工方案，实现控制施工质量的目的。目前，路基工程中应用信息化施工技术的目的主要有：1)依据监测资料，利用信息化施工技术指导和控制工程进度，保证填方路堤施工期稳定性要求[2,3]；2)依据监测资料，对路基的工后沉降进行预测，并在施工期间采取应对措施，以减轻工后沉降可能造成的道路病害[4,5]。

本文将数值模拟及信息化施工相结合，对某软土地基高速公路路堤工程施工进行指导。首先通过数值模拟对软土路基变形特性进行分析，制定施工及监测方案，再根据施工监测结果对土体参数进行反演并进行施工动态模拟，优化施工方案，最后通过模拟预测工程沉降及沉降速率，预判工程质量及监测周期。

1 工程概况

某高速公路路堤基底宽约40 m，坡度为1∶1.5。公路工程路区范围内地层主要为第四系全新统冲积层或上更新统冲积层。土层分布及其主要物理力学指标见表1。由于软土层较厚，设计采用预压处理。预压荷载平均约6.5 m，分级加载。

表1 各土层主要物理力学指标

2 信息化施工设计

高速公路路堤工程信息化施工流程如图1所示。图中，信息化施工组织设计包括路堤工程数值模拟、施工监测方案制定、埋设沉降板、分层沉降仪、测斜管、孔隙水压力计等测量仪器的埋设的施工组织与准备工作。

3 路堤工程的信息化施工

3.1 模拟预测

考虑到路堤的对称性，故路堤施工模拟采用1/2路堤进行平面应变分析，模型尺寸为60 m×28 m。模型底部边界约束竖向位移，x=0侧面约束水平位移，其余边界自由；地基顶面孔压设为0 kPa，其余边界设为不透水边界。模型采用实体单元模拟，岩土材料本构关系采用Mohr-Coulomb模型，路基土的物理力学参数见表1。

为保证路堤的安全施工，经数值模拟反复试算，路堤施工工序及进度安排如下：1)第一级填土高度2.5 m，工期40 d；2)固结50 d；3)第二级填土高度2.0 m，工期36 d；4)固结90 d。

图2为路堤工程第一级填土施工完成后路基的沉降场。图2中路基沉降位移场显示深层土体发生较为明显的沉降，这说明该路堤工程中沉降起控制作用。数值模拟表明路堤中心地基的沉降最大，而路堤坡脚范围内地基土的水平向位移最大。因此，路堤施工中应注意路堤中心线位置的沉降监测，以及坡脚范围内地基土的深层水平位移监测。此外，数值模拟中路堤边坡及地基土均未出现明显的滑动面，这表明按设计填筑速度施工能满足地基稳定性要求。

3.2 施工监测设计

根据工程条件及数值模拟结果，确定路堤工程施工监测内容包括地表变形、土体深层位移监测及孔隙水压力，具体监测方案如下：

1)路基变形监测：路基中心、路肩处设置沉降板或边桩，监测路基的沉降变形；通过边桩监测路基的水平位移。

2)土体深层位移监测：路基中心处设置分层沉降仪监测施工期地基分层沉降；坡脚设置测斜管监测路堤施工期地基分层侧向变形。

3)孔隙水压力监测：路基中心设置孔隙水压力计监测软土地基中孔隙水压力，确定地基土的固结情况。监测仪器布置示意图见图3。

3.3 施工监测及结果分析

图4为路堤中心地基沉降监测结果。由图4可知，随着路堤填筑高度的增加，路基沉降量持续增大，路基沉降速率最大达7.4 mm/d，小于沉降控制标准，满足路堤及路基稳定性控制要求[6]。路基填筑施工结束后，地基沉降量仍显著增加，但沉降速率随时间推移而减小，这是孔隙水压力消散及路基土发生固结引起的。

图5为第一级填土施工期及工后路基中心深层沉降及水平位移曲线。图5a)路基中心深层沉降表明第一级填筑完成后，地表处路基沉降最大，随着深度增加，路基土体沉降迅速减小；但由于路基土压缩性较高，埋深22 m处的路基土层在90 d时沉降达27.5 mm，即土体沉降较为明显，这与预测结果基本一致。图5b)路基深层水平位移表明施工期间路堤坡脚以下一定深度范围内的土体均会产生较显著的水平位移：路堤坡脚6.0 m范围以内土体水平位移随埋深增加而增大，超过6.0 m水平位移随埋深增加而减小。此外，监测表明路堤坡脚土体深层水平位移速率最大约2.9 mm/d，满足路堤稳定性控制要求。

3.4 参数反演及模拟预测

路堤工程信息化施工中应对路基土的压缩模量及渗透系数进行反演，步骤如下：1)根据孔隙水压力监测资料，反演各土层的渗透系数；2)根据路基中心沉降及分层沉降监测资料，反演各土层的压缩模量。

根据施工监测资料，反演得到各土层的压缩模量及渗透系数，见表2。表2中各层土体的压缩模量与渗透系数的反演与表1存在一定差异，很可能需要调整路堤工程后续施工安排。

表2 土体参数反演结果

利用表1与表2中土体物理力学参数，对后续路堤工程进行数值模拟分析，结果表明：若仍按原计划36 d进行路堤工程第二级施工，填土阶段模拟难以收敛，即实际施工路基很可能难以满足稳定性要求，需要延长第二级填土施工的工期。经模拟试算，工期调整为45 d后能满足稳定性控制要求。

按调整后的工期进行第二级填土施工，并进行施工监测，路基中心沉降监测结果见图4。由图4可知，第二级填土施工期间路基沉降量随填土高度增加而持续增大，施工结束时沉降量达594 mm；施工期路基沉降速率最大达8.0 mm/d，满足路堤及路基稳定性控制要求[6]。

4 结语

本文将数值模拟及信息化施工相结合，对软土地基高速公路路堤工程进行指导。主要结论如下：

1)将数值模拟与信息化施工相结合，有助于制定合理的路堤工程施工及监测方案，发挥施工监测资料工程价值，提高施工合理性及经济性。

2)根据施工监测资料对路基土层进行参数反演，有助于确定土体的实际工程特性，对指导和优化路堤工程后期施工方案、保证路基稳定性有重要意义。

[1] 方坚宇,张可能,陈 宾，等.G319国道牛儿垭桥0#桥台加固与病害机理分析与处置加固[J].公路工程,2009(1):108-111.

[2] 何辉明,胡伍生,张 兵，等.高速公路沉降观测与施工决策的探讨[J].公路交通科技,2004,21(6):47-49.

[3] 陈建峰,石振明,孙 红.软土地基路堤工程信息化施工技术[J].同济大学学报(自然科学版),2007,35(1):37-40.

[4] 曹海莹,王大鹏,窦远明.一种改进的路堤信息化施工监控流程[J].公路交通科技,2011,28(2):31-36.

[5] 万 星.公路填筑路基沉降监测与施工控制技术研究[D].重庆:重庆交通大学,2013.

[6] JTG/T D31—02—2013，公路软土地基路堤设计与施工技术细则[S].

Application of informational construction method in highway embankment engineering

Wang Youshun

(ZhumadianAdministrationBureauofHighway,Zhumadian463000,China)

The proper construction program and monitoring scheme were proposed based on the numerical analysis of deformation characteristic of subgrade soils. Parameters of subgrade soils were back analyzed from monitoring data for the dynamic numerical simulation of embankments. The construction program was thus optimized to satisfy the control of subgrade stability and settlement. The post-construction settlement and settling rate were also numerically predicted to estimate the construction quality and the monitoring period.

embankment engineering， informational construction， numerical simulation, parameter back-analysis

1009-6825(2016)10-0113-02

2016-01-22

王友顺(1966- )，男，高级工程师

U416.12

A