黄土高填方路基工后沉降对比分析

2016-11-24马渊，庆磊

城市道桥与防洪 2016年3期

关键词：工后填方路堤

马渊，庆磊

（1.中国市政工程西北设计研究院，甘肃兰州730000；2.甘肃临洮经济开发区管理委员会，甘肃临洮730500）

黄土高填方路基工后沉降对比分析

马渊1，庆磊2

（1.中国市政工程西北设计研究院，甘肃兰州730000；2.甘肃临洮经济开发区管理委员会，甘肃临洮730500）

对于西北地区黄土高填方路基经常出现的工后沉降病害，通过实际工程，采用修正剑桥模型进行仿真分析，得出沉降数值结果，并总结沉降规律。分析结果与经验公式符合较好，沉降规律与类似工程的原位测试结果一致，从而为黄土地区高填方路基的工后沉降量的设计施工提供一种分析思路。

沉降分析；修正剑桥模型；黄土；特殊路基；高边坡

0　引言

湿陷性黄土作为第四纪沉积物的一种，广泛分布于我国西北地区。构成黄土空间结构体系的支柱是骨架颗粒，骨架间存在着如大孔隙、架空孔隙、粒间孔隙等各种各样的孔隙。西北地区的黄土骨架颗粒以粒状为主，其颗粒大小介于粘土与细砂之间，呈浅黄色或黄褐色，主要是具有多孔、孔隙比较大等物理特点，是一种典型的非饱和性土。这些物理特点决定了黄土具有高压缩性、湿陷性等力学特性。作为一种疏松的、遇水易发生湿陷和易被水流冲刷的土壤，湿陷性黄土在干燥时可以保持近乎垂直的节理，但一旦遇水，则会瞬间失稳。这种土壤作为道路高填方段的路基时，病害集中体现在路基的变形和边坡的稳定两方面。

在西北地区，黄土填方路堤沉陷变形比较普遍。这是由该地区黄土大部分是松散颗粒体的构造决定的。路基的变形从施工开始，一直持续到建成运营后若干年。2000年，根据长安大学辛平对甘肃境内263处高填方路基的调查结果显示[1]，其中有病害的高填方路段127处，病害率为48.3%，主要的病害表现是路基稳定性表现欠佳，路基失稳、不均匀沉陷现象普遍存在。所以在该地区的黄土路基工程设计应特别注意路基变形方面的分析与设计。本文以实际工程为例，初步探讨湿陷性黄土高填方路基的沉降变形规律及设计方法。

1　沉降机理分析

从沉降的机理上看，地基沉降分为瞬时沉降、固结沉降和次固结沉降三种。瞬时沉降是受力土体受荷后立即发生。固结沉降主要是土体受荷后产生的附加应力，使土体的孔隙减小而产生的沉降，通常这是地基沉降的主要部分。次固结沉降是在外部荷载作用下，经历长时间，随着孔隙水压的消散，土体骨架缓慢蠕变产生的沉降。这三种沉降是交错混合发生，是某一时间以一种沉降变形为主、其他两种为辅，并不是按照某种顺序先后发生[2]。

从沉降发生的部位来看，道路路基的沉降主要由两部分组成，包括地基土的沉降和路堤填土本身的沉降。对于填土高度不大的路段来说，主要以地基的沉降为主；对于高填方路堤来说路堤自身的沉降是占总沉降的相当大的比例。由于未经处理的地基土是原状土，压实度不一定有路堤填土的压实度高，同时路堤对于地基来说是外部荷载，会引起地基的变形，故荷载越大、地基变形越大；甚至在承载力超过地基土时，地基土会因为强度不够而发生破坏。

从时间范畴上看，将道路的沉降可划分为施工期沉降和工后沉降两部分。施工期沉降就是各层填土在施工期间产生的沉降总和，这部分沉降是在填土施工荷载施加完成时同时完成的；工后沉降是在填土完成后，路堤在填土的自重荷载和车辆外荷载的作用下，较长时间内蠕变产生的沉降总和，这部分沉降的完成时在一定的时间段内逐步发生。对于施工期沉降，由于路基是分层压实施工的，填土压缩沉降速度很快，这部分沉降可以通过超填来达到设计标高，所以施工期的沉降并不会影响道路的正常运营。而工后沉降因为沉降时间长，且出现在运营期间，沉降过大直接导致路基变形、路面破坏、行车不平顺等现象，直接影响交通性能，所以这部分沉降量也是我们重点关注的方面。

在《公路路基设计规范》中规定：“对于高度大于20 m的路堤，应按工后沉降量预留路基顶面加宽值；工后沉降量可按路堤高度的0.7%～1.5%估算[3]。”在公路设计手册《路基》（第二册）中指出：“黄土高路堤的工后下沉量与填土高度有直接关系。根据铁路、公路的少量观测资料，对压实较好的高路堤，可按填土高度的1%～2%估计[4]。”铁道科学院西北所与铁一院经过大量的观测研究，在实测数据基础之上，总结出了回归公式,对黄土高路堤的工后沉降可按下式估算：

式中:S后为竣工后的沉降量，m；H为黄土路堤高度，m。

以上的几种算法都是在大量调查与实验的基础上回归得出的，具有很强的经验性，但是规范与手册中的估值范围较大，只能做大概定性的控制，而在实际的设计工作中往往根据断面形式的不同，需要较为精确的数据为施工提供依据。本文尝试使用有限元仿真分析的方法来计算确定最终沉降量。

2　工程实例分析

拟建凯风西道工程，道路全长8.29 km，道路总宽30 m，为甘肃省临洮县中铺工业园区内的一条南北走向的主干道。该道路位于中铺镇内、位于兰临高速西侧约500 m处（故兰临高速部分工程经验可供借鉴）。在桩号K4+980-K5+840段由于地形变化，此处设计为高填方路段，填方高度最高可达21 m。该路段地层主要由黄土状粉土组成，其中黄土层为冲洪积、坡击而成，土质均匀，层厚平均7 m；勘察期间未见地下水；场地属于Ⅳ级自重湿陷性场地。

使用平面有限元软件midas soilworks对该断面进行沉降固结分析，分析时间范畴涵盖施工期与运营期，考虑填土施工时间共20 d，运营期为10 a。土体的本构模拟选用修正剑桥模型[5]，与本构模型相关的土体参数选取见表1所列。

表1　模型土体参数取值表

模拟计算时，考虑分层填土的影响，采用逐级填土、逐级加荷的模拟方式。在运营期考虑车辆荷载，按照规范规定的车辆轴重和横向布置方式加载。

根据表1所选取的计算参数，对凯风西道K5+480处的路堤断面进行仿真计算。因为本文重点讨论路堤工后沉降，所以只列出运营阶段计算结果，其他阶段仅参与计算，但结果不赘述。计算模型及结果如图1～图3所示。

图1　沉降计算模型

图2　运营期平均有效应力图示

图3　运营期沉降量图示

仿真计算结果图示直观地显示了运营期间的沉降规律及沉降量。

3　计算结果对比

按《公路路基设计规范》中提出的方法估算，工后沉降量为填土高度的0.7%～1.5%，也就是说工后沉降应该为14.7 cm～31.5 cm之间。

按公路设计手册《路基》（第二册）中提出的方法估算，工后沉降量是填土高度的1%～2%之间，即为21 cm～42 cm之间。

按照铁科院与铁一院的经验公式计算，工后的沉降量应为20.56 cm。

将有限元模拟结果与几种经验公式计算结果进行对比，发现计算结果与《公路路基设计规范》的估算方法吻合较好，比《路基》手册和铁路公式的计算结果较小。

4　结果分析及规律总结

在路堤的高度方向上，自上而下沉降量逐渐减小。在填土区域沉降量沿高度变化不大，路堤顶面沉降15.8 cm，在路堤底与地基交接处沉降量为14.47 cm；从路基顶面向下，沉降变化较快，沉降量逐渐向0靠拢。这是因为，填土部分的固结沉降大部分在施工期间已经完成，所以在运营期间填土部分实际的沉降只有约1.33 cm。

在路基的宽度方向上，路基表面沉降曲线呈明显的抛物线状，即路中至路边，沉降量逐渐减小，路中沉降量最大为14.47 cm。明显的，横向固结沉降与填土高度关系密切，即有效填土高度越高，则该处地基沉降越大。这是因为填土越高，该处竖向荷载越大、沉降越大。

以上总结的规律，与长安大学在2004年对兰临高速的高填方路段的原位沉降观测得出的沉降规律吻合度极高。