高填方路基沉降分析及控制技术研究

梅州市梅县区伟康公路建设投资有限公司，广东 梅州 514700

1 高填方路基沉降原因

1.1 勘察设计原因

公路属于三维带状结构物，沿线地形地貌、水文地质条件等可能较复杂。如果设计人员在开展现场勘察查任务时准备工作不充分、人力或经费不足、技术手段落后，或者未能充分查明高填路基范围内的不良地质或特殊岩土特性，则会影响高填方路基建设方案的制订，导致路基后期沉降过大。尤其是软土地基，由于其含水量高、可压缩性大、强度低、孔隙水压力消散慢，如果处治措施不当，将会产生较大的固结沉降，影响高填方路基的安全性。此外，高填方路基在设计时若套用一般路基断面处理方法，而未进行工点设计或路基稳定性验算，选取的土体强度参数指标可能出现不合理等问题，这也会导致高填方路基沉降。

1.2 施工原因

施工是影响高填方路基沉降变形的直接因素，主要体现在以下三个方面：

（1）路基填料差。路基填料一般应选择强度高、水稳定性好的砂砾土和碎石土等，不宜使用高塑性黏土、粉土、腐殖土、泥沼土等，否则容易导致路基沉陷破坏。

（2）路基压实质量不合格。路堤分层填筑期间，不按规范控制松铺厚度，压实机械随意组合，压实速度过快、遍数少，都会导致路基压实度不足，从而导致路基后期沉降变形大。

（3）施工现场管理水平低。在高填方路基施工期间，如果技术人员理论知识不足、管理能力欠缺，则无法在现场科学合理地指导工人施工，导致高填方路基施工质量差[4]。

2 高填方路基沉降变形规律

高填方路基沉降总量=地基土沉降+路堤填料压缩，其中地基土沉降通常选择分层总和法来计算，但路堤填料自身压缩变形影响因素较复杂，目前尚没有统一的计算理论。但随着计算机技术的飞速发展，越来越多的高填方路基沉降变形开始采用有限元分析法计算。

2.1 工程实例

文章以某公路项目为研究对象，其桩号K48+270～K48+380路段位于山沟内，设计方案选择高填方路基通过，全长约110m，边坡最大高度为24m。场地内地表下伏层为泥质粉砂岩，工程性能较好，可作为地基基础持力层，其容重为24kN/m3、黏聚力为32kPa、内摩擦角为40°；高填方路堤的填料拟采用碎石土，其容重为21.5kN/m3、黏聚力为5kPa、内摩擦角为35°。高填方路基分3级填筑，每级填土高度为8m，台阶宽2m，且每填筑1m进行1次增强补压，填方边坡第一级、第二级、第三级坡率分别取1∶1.5、1∶1.75、1∶2.0。

2.2 有限元模型建立

（1）边界条件。高填方路基底部设置为不透水边界，且对其X方向、Y方向、Z方向完全约束；路基顶部和边坡坡面设置为自由边界，可发生竖向压缩和水平位移；地基土只约束X方向，可产生竖向压缩[5]。

（2）网格划分。由于网格大小和网格数量对模型计算结果和计算效率影响较大，在确保高填方路基沉降精度和计算速度的前提下，利用FLAC 3D 5.0软件中的二维实体Brick单元对路堤填料和地基土进行网格划分，对坡面以内2m及路床范围内的网格进行加密处理，网格尺寸取1m×1m，其他部位网格尺寸取2m×2m，共划分出单元4251个、节点5892个。

（3）屈服准则。高填方路基沉降变形计算可采用摩尔-库伦本构模型，其计算参数简单，计算结果偏安全，在岩土工程分析中应用广泛。摩尔-库伦的破坏函数可选择有效应力法或总应力法，公式如下：

式中：τf为抗剪强度；c、φ分别为黏聚力和内摩擦角；c'、φ′分别为有效黏聚力和有效内摩擦角；σ为法向应力；σ′为有效法向应力。

2.3 高填方路基沉降计算结果

（1）各监测点沉降变形。该填方路基宽度为8.5m，从路基中心线开始，每隔1m布置1个沉降监测点，监测点距离路基中心的距离左侧为“-”，右侧为“+”，得到的高填方路基填筑完成后的沉降变形结果如图1所示。

图1 高填方路基各监测点沉降变形

由图1可知，高填方路基中心处的监测点沉降变形最大，达到31.6mm，且路基两侧的沉降变形相差不大，整体上呈对称分布。同时，随着与路基中心线距离的增加，路基沉降量变小，但是减小速率是先快后慢，即当距路基中心距离小于2m时，各监测点沉降变形减小、速率快，达到2.95mm/s；当距路基中心距离超过2m时，各监测点沉降变化幅度不大，仅为0.94mm/s。产生此现象的主要原因为在填土等外荷载作用下，路堤及地基土中会产生附加应力，导致土体压缩变形，且距离路基中心越远，附加应力影响效果越小。

（2）填土高度对路基最大沉降的影响。由于高填方路基分层填筑，为了更好地模拟路基施工期间的沉降变化规律，文章分析了不同填土高度对路基最大沉降的影响，结果如图2所示。

图2 各压实度下路基最大沉降

由图2可知，随着路基填土高度的不断增加，路基最大沉降量也在不断增加，且两者之间基本呈线性正相关趋势。填土高度每增加1m，路基最大沉降约提高2.67mm，这是因为填土高度越大，施加在路堤和地基土的荷载越大，产生的附加应力越大，则沉降变形也就越大。

3 高填方路基沉降控制技术

目前，高填方路基降低沉降的方法主要有铺土工格栅、采用轻质填料、加强地基处理等措施。

（1）铺土工格栅。在高填方路基各层之间铺土工格栅，可以形成加筋土，提高土体的抗剪强度、抗压强度和压缩模量，降低填料的可压缩性，从而减小路基沉降变形。

（2）采用轻质填料。轻质材料一般重度较小，高填方路基填筑采用轻质材料能有效降低作用在地基上的荷载，从而减小土体中的附加应力和沉降变形。在填筑轻质材料路段和一般路基之间要开挖台阶设置过渡段，台阶高度为0.5～1.0m，坡比宜为1∶1～1∶2，以确保路基的整体稳定性。

（3）地基处理。如果高填方路基区域范围内存在软弱土层，则必须先对其进行处理再施工。如果软弱土层厚度不大（小于3m），可采用换土垫层法，其基本原理是挖除地面线高程以下的软土层，换填成强度大、水稳定性好的砂、碎石、粉煤灰等，并夯压密实，以提高地基承载力，减小地基及其下卧层沉降变形。如果软弱土层厚度较深，可选择水泥搅拌桩处治。水泥搅拌桩可按梅花形布置，桩顶铺厚度为20cm的碎石层，桩径取350～500mm，桩长与桩间距可利用《理正岩土》或有限元软件的计算结果确定。

4 结束语

文章分析了高填方路基的沉降变形原因、变形规律及施工控制措施，主要得到了以下结论：（1）高填方路基沉降原因主要是设计方案不合理、路基填料差、路基压实质量不合格、施工现场管理水平低；（2）距离路基中心线距离越远，路基沉降越小，且中线两侧路基沉降变形相差不大，整体呈对称分布；（3）高填方路基最大沉降量会随着路基填土高度的增加而增加；（4）铺土工格栅、采用轻质填料、加强地基处理等措施可以有效地改善高填方路基沉降变形。