基于公路高填方路基情况的沉降变形及其防止研究

李喆

（河南省交通规划设计研究院股份有限公司，河南郑州450000）

0 引言

随着公路建设的快速发展，高填方公路的工程数量日益增多，建设规模随之越来越大。高填方路基是指采用细料填筑时，填筑高度达到6m 以上，采用填石、填土填筑时填筑高度达到20m 以上。从已建的高填方公路情况看，沉降引起的路基病害问题尤为突出。目前国内相关学者对高填方路基沉降也开展了相关研究，如滕志红针对高填方路基的路基高度和坡度因素，对高填方路基沉降变形进行了研究[1]；韩宗良建立了土体本构模型，针对不同地基条件下的高填方路基变形进行了研究[2]。本文通过对公路高填方路基的沉降机理和影响因素进行分析，从而根据分析结果提出相应的沉降防治措施。

1 公路高填方路基沉降机理

公路路基沉降最根本机理在于土层压缩引起，而土层压缩性能高低则是通过压缩系数来反映。压缩系数α=Δe/Δp，通过此公式可看出，土层压缩取决于土层孔隙率和路基填土荷载。

1.1 土层孔隙率

土粒孔隙率越大，土层压缩系数越大，土层压缩变形越明显。这是由于土粒孔隙率关系到土的渗透性，随之影响了土体的压缩变形速度，显然路基沉降速度与土的透水性存在直接关系；另外，土粒的颗粒级配和含水率影响着土的渗透性，这两者与土粒孔隙率同样存在的密切关系。因此，路基沉降直接原因是土渗透固结引起，其通过土层孔隙率指标来体现。

根据土体渗透固结理论可知道，土体压缩变形速度与土体中的孔隙水排出速度有直接关系，孔隙水排出速度会随着土体压缩固结而逐渐减缓。因此，土体从变形到固结需要经过一定时间，在土体沉降期间，土体沉降速度是一个从快到慢的变化过程，最终土体沉降速度逐渐趋于零。针对土体沉降速率进行了相关研究，下图1 为某高速公路高填方路基沉降速率随时间的变化曲线图。从图1 变化曲线可以看出，土体沉降速率随着时间延长而逐渐减缓，而且沉降初期，沉降速率较大，过了大半年后，沉降速率逐渐趋于平缓。值得注意的是，不同土质情况对土体沉降速率以及沉降稳定时间会有所不同[3]。

1.2 路基填土荷载

根据路基沉降公式可发现，路基填土荷载越大，其沉降量越大，而路基所承受的填土荷载则决定于路基填土高度和土体容重。一般来说，路基填土高度越大，路基承受的土体荷载越大，其沉降相应越大，反之越小。但研究表明，不同的填土土质、不同的填土高度以及不同的现场实际施工情况等因素，都会对路基沉降规律产生不同影响。

2 公路高填方路基沉降影响因素分析

从上述路基沉降机理分析表明，土层孔隙率和填土荷载直接影响着路基沉降量，即填土高度与和土层压实度对路基沉降有着直接关系，因此研究此两个因素与路基沉降之间的变化规律有着重要意义，结合此变化规律研究结果，对于高填方路基如何防止过大沉降具有指导意义。

研究对象为湖北省某高速公路高填方公路路基，路基宽度为28m，路基填土采用土石混合料，填筑采取3 级实施，每级填土高度为8m，每级边坡坡比值分别为1∶1.5、1∶1.75、1∶2。

2.1 填土高度因素

为了研究不同填土高度与路基沉降之间的变化规律，每层填土时间严格按照规范要求执行，同时记录相应的路基沉降量，从而得出不同填土高度和相应路基沉降量，其路基沉降量为填土沉降量和地基沉降量之和。不同填土高度与相应路基沉降变化曲线见图1所示。

从图1 中不同填土高度与路基沉降之间的变化曲线可看出，随着填土高度不断增加，路基沉降量随之增加；路基沉降速率在填土高度6m 时出现变化，填土高度大于6m 时，路基沉降速率开始变快；路基沉降量与填土高度基本上呈线性比例，这主要原因是由于高填方路基沉降量与填土荷载有直接关系，而填土荷载与填土高度是呈线性比例，随着填土高度增加，填土荷载增大，路基沉降量也随之增大[4]。

相关研究表明，对于高填方路基来说，不同填土材料对于路基沉降有着不同影响。比较岩石类填料和土类填料的路基沉降量发现，相同填方高度情况下，土类填料的路基沉降量比岩石类填料的大得多。对于岩石类填料而言，泥岩和页岩这两种填料在相同填方高度情况下，路基沉降变形量比较接近；但其沉降量与砂岩沉降量对比，则较大。对于土类填料来说，在相同填方高度以及压实度情况下，粉质黏土填料的沉降量比页岩或者砂类土较大，大40%～50%，而页岩与砂类土填料对于路基沉降变形量较为接近。综上所述，土类填料的压缩性大于石类填料，因此采用石类填料的路基沉降量会小于采用土类填料的路基沉降量。对于透水性较好的填料（砂类土）填筑的路基沉降量会小于透水性较差的填料（粉质黏土）填筑的路基沉降量。对于高填方路基来说，填料宜选用岩石类或者透水性比较好的砂类土或页岩，宜避免选用粉质黏土填料。

2.2 压实度因素

为了研究不同填土压实度与路基沉降之间的变化规律，同时结合规范明确填土压实度不应小于90%的要求，填土压实度分别采取90%、91%、92%、93%、94%、95%、96%、97%、98%，同时记录不同填土压实度和相应路基沉降量。

从不同填土压实度与路基沉降之间的变化曲线可看出，路基沉降与填土压实度基本呈线性比例关系。随着填土压实度的增加，路基沉降量随之减小，这主要原因是随着土层压实度增加，土体压实模量增加，土体变形空间减小，导致路基沉降减小。另外，根据曲线倾斜率可得出，填土压实度增加1%，路基沉降量约减小0.75cm。

3 高填方路基沉降防止研究

基于上述不同填土高度和填土压实度对路基沉降的影响规律，对于如何防止高填方路基过大沉降具有指导意义。下面结合工程实际案例，针对高填方路基提出可行的过大沉降防止措施。

3.1 工程实例

本工程为湖北省某高速公路高填方公路路基，标段为K54+730～K55+050，本标段长2000m。本标段路基以填方为主，最大填方高度达到20m。填土材料主要以粗颗粒的砂砾为主。

3.2 防止措施

3.2.1 从填土高度角度考虑

由于填土高度对路基沉降有直接影响，为了防止过大沉降，首先控制填土高度，尽可能地减少高填方高度。若由于各种因素，导致填方高度未能减小时，则需要采取相关防止路基过大沉降措施，如采用土工格栅和灌浆法等。其中，灌浆法处理措施应用较为广泛。该处理措施是通过对路基可能存在较大沉降区域先采取钻孔，将浆液通过注浆管均匀注入路堤填料和地基层孔隙中，以提高路基强度和压缩模型，减小土层压缩变形。本工程综合考虑采用灌浆法，通过注浆管将浆液均匀的注入地层中，使浆液渗透到填料孔隙，让原来松散填料与浆液形成整体，防止或减弱路基继续下沉[5]。

3.2.2 从填土压实度角度考虑

本工程为了严格控制填土压实度，在路堤填筑前先处理地表，如挖除地表附着的树根，清理干净扰动的浮土，并进行填前碾压。整平碾压到符合规范要求后，采用合格填料进行回填。

路基施工时填料要分层摊铺、分层碾压，避免填筑速度过快，无论是高填方路堤还是一般路堤，在填筑时应该严格按施工规范的要求在全宽范围内分层填筑，控制好分层厚度，结合工程实践和规范要求，填筑厚度不得超过30cm，尤其是高填方路基施工更需要严格执行。另外，还需要保证填料达到最佳压实度，并在路基填筑完成后对其压实度进行检测，如不满足规范要求，及时整改。

4 结语

本文通过研究高填方路基，得出了填土高度和填土压实度对路基沉降的影响变化，根据分析结果并提出了相应的防止过大沉降措施。高填方路基沉降量随着填土高度增加而基本呈线性上升趋势，随着填土压实度增加而基本呈线性下降趋势。从研究成果表明，控制高填方路基填土高度和填土压实度，对于防止路基过大沉降有直接影响。若填方高度不可控制时，则考虑采取土工格栅或灌浆法处理。另外，在填筑施工过程应严格控制分层填筑厚度和压实度，可有效降低路基沉降。