高填方路基沉降预测及加固机理探究

唐颖

（中电建路桥集团西部投资发展有限公司，四川 成都 610213）

一、高填方路基的基本特点

高填方路基的高度较大（普遍达到20cm左右），路基的自重较大，加之外部行车荷载等因素的影响，容易出现沉降现象，严重影响车辆的正常通行。高填方路基的质量要求高，既要保证地基的稳定性，又要提高路基自身的抗压强度，由此加大了施工的难度，对施工技术提出了较高要求。在高填方路基施工时，应根据规范组织严谨计算，以确定路基的重量，结合所掌握的各项基础信息确定合适的加固方法，从源头上规避高填方路基沉降的问题，保证车辆通行的平稳性与安全性。

二、路基沉降的过程分析

路基沉降问题是公路工程常见病害之一，路基出现变形和沉降会造成路面结构断裂，影响行车安全，缩短公路的使用年限。由于高填方路基是当前山区高速公路路基施工的常见形式之一，如何控制高填方路基沉降量和变形量、提高路基结构的稳定性和使用品质便成为了急需解决的问题之一。

（一）高填方路基特征

导致路基沉降和变形的根本原因是应力变化，具体表现为弹性变形与塑性变形的双重作用。在路基施工中，材料的应力应变关系服从广义胡克定律。但实际情况下,对于岩土材料,胡克定律只在一定范围内适用。当应力超过一定限度以后,岩土体内部将产生部分塑性变形。

（二）非线性弹性

应用最多的路基非线性弹性模型主要有三种，具体为变弹性模型、次弹性模型及超弹性模型，在路基变弹性模型中通常认为弹性系数与弹性模量为变量。一般情况下，路基工程中的岩土材料为弹塑性介质，可以应用到的塑性理论的主要有全量理论与塑性增量理论两种，基于塑性理论即可构建方程，进而计算出路基变形量。

（三）基本力学性能

在应力变化的影响下，高填方路基土吸水性会增强，具体表现为土体颗粒表面吸附水，进土体存在黏滞性，土体边界约束力降低，在路基内部应力出现变化，土体颗粒变形移动，导致路基结构发生变形。土体是一种兼具弹性、塑性、黏滞性的弹黏塑性体，流变性强，在路基结构运行过程中会受到荷载变化的影响，土体流变性描述也会受到其特性的影响。

三、高填方路基沉降变形规律的分析

（一）击实试验

击实试验是高填方路基沉降变形分析工作中的关键方法，试验所用材料的物理参数一致。试验中，弃渣以泥浆为主要成分，夹杂部分石灰岩。根据材料的粒径特点，将石灰岩作为路堤粗集料，细料土选用的是页岩土和黏土两类。考虑到离心模拟操作的便捷性要求，在离心模型设计工作中，依据最大离心率确定最为合适的用料最大粒径。试验所用土的粒径在4.75mm以内，共设定四种土石比，按照各比例制备相应的土石混合料，并对其展开击实试验，分别测定各组的最佳含水量和抗剪强度指标，基于各组试验结果做出对比分析。试验中所需用到的击实仪如图1所示。

图1 击实仪

（二）土工离心模型试验

以增加离心模拟重力的方式组织试验，用于反映原型在力的作用下所呈现出的变形过程。高填方路基填料的土石比不同，对应的施工方法将随之改变，土石路堤沉降实现稳定所耗费的时间较长，并不能在施工阶段达到完全沉降稳定的状态。在围绕高填方路基的压缩变形特性展开分析时，需考虑的是高填方路基的各类土石比，分析在土石比发生变化后对应的沉降特点，从中摸索出两项指标间所存在的影响机制。构建的离心模型可用于模拟各类填筑材料，进而给沉降预测模型提供试验资料，以便高效开展试验工作。

四、高填方路基不均匀沉降的原因

（一）地质、地形原因

高速公路的建设里程较长，沿线经过的地质区域类型丰富，不同区段的地基土特性存在差异，从根本上决定了路基沉降特性的差异化现象。此外，路基填筑施工中所用填料并非完全一致，即便相同的填料也会由于生产工艺、批次等原因出现质量差别。因此，在多重因素的共同作用下，各路段路基的强度和沉降量也有所不同。若缺乏针对性的处理措施，很容易由于局部承载性能或其他方面的不足而出现不均匀沉降现象，例如路基下沉、基层受损等，如图2所示。

图2 路基沉降断面图（m）

（二）过渡段差异

高速公路建设中，例如路桥涵的过渡段、台背沉降段等均是较为特殊的路段，该部分路基刚度有较明显的差别，会因为力学性质协同性不足而诱发路基不均匀沉降现象。例如，重新填方的路基和挖方的路基在刚度方面有较大差别，经过压实处理后，若压实度相对欠佳，后续受行车荷载、降雨等因素的影响容易出现沉降的问题。台背沉降路段则体现在台背、路基结构差异化的层面，随着时间的延长，有差异性沉降的地点，车辆通行的平顺性将受到严重影响。

（三）路基填料不均匀

秉承着资源效用最大化的原则，路基挖方施工中产生的多余土料将被应用于填方施工中，若无法精准掌握此类填料的特性（体现在级配、材料组成等方面），则容易与现场原有的路基土产生差异，两部分缺乏协同性，随之出现不均匀沉降的问题。从施工的角度看，若碾压厚度偏大则容易出现部分土料无法被有效压实的情况，软弱物质在使用中的承载能力不足，后续将出现沉降问题。

（四）地表水、地下水影响

水对路基的侵蚀作用较强，在高填方路基施工及使用中以地表水和地下水的影响最为显著。在水的持续性渗流作用下，容易破坏公路路基的稳定性，例如出现滑塌、沉降等质量问题。建设现场以干燥性气候为主时，包含膨胀土、黄土在内的绝大部分土质均具有较高的承载力，可以维持稳定的状态，非特殊情况下几乎无路基沉降问题；但在持续降雨的影响下或是存在其他水体的干扰时，原本处于稳定状态的土质将受到影响，其逐步由固结状态转变为松散膨胀的状态，土体的承载力较前期大幅度下降，由此加大沉降的发生概率。

（五）路基体自重的原因

高填方路基结构中，原有的地基已达到固结沉降的状态，上部施工新填筑的材料会产生附加的应力，由此诱发沉降现象。其中，填方路基的高度成为重要的影响因素，将在很大程度上影响附加的沉降量。若路基填筑施工缺乏均匀性（各部分的用料有所不同、压实度不一致等），则容易显现出差异沉降问题。

（六）工后沉降

事实上，高填方路基的沉降持续时间较长。在施工期间会发生较大幅度的沉降固结现象，后续仍会发生一定程度的沉降，即工后沉降。若部分路基的工后沉降量偏大则不利于上部结构的稳定性，导致其出现失稳现象。压实施工环节所用装置的自重普遍为20余t，在面对质量要求较高的高填方路基时，该类常规设备难以有效满足路基的密实性要求；并且，路基填料量较多，自重作用较强，加之行车荷载的影响，将导致较为明显的工后沉降。

（七）土的压缩性

除上述原因外，路基的沉降还与土的压缩性有关，而土的压力和孔隙则是影响压缩性的关键因素。由此又可进一步细致分析，即土的压力主要取决于土的容重和填土的高度两方面；土的孔隙率则易受到内部颗粒粒径、含水量的双重影响。

五、高填方路基的加固措施

（一）填挖交接部位的压实

适度增加强夯断面的数量。对于高填方路基所存在的不均匀沉降问题，可将填挖交界区域作为重点处理对象，切实加大对该处的强夯力度，并在路床底部组织一次强夯作业，每间隔8m强夯一遍。在外力作用下切实提高交接部位的密实度。

合理选用压实设备。在高速公路施工中，路基填料以土石混合料为主，单一方法所带来的强夯效果有限，虽然短期内无质量问题，但使用时间较长后易出现不均匀沉降。对此，宜采取落锤式强夯和液压式强夯相结合的方案，通过多种方法的应用有效提高路基的承载力，确保修筑成型的路基具有较高的压实度，且各处的压实度尽可能保持一致。

优化压实作业方法。例如，可采用环形压实与液压式碾压相结合的方法，其对于提高断面压实质量具有重要作用，可较好地规避断面压实度不足的问题。

（二）以合理的方式开挖台阶

机械破碎锤和爆破均是较为常规的方法，其在施工中容易带来较为严重的破坏性影响，易导致适得其反的局面。对此，宜调整为静态爆破的方式，以现场的地质条件为准，在岩石上精准布孔，在许可范围内加大路基和山体的搭接宽度，提高摩擦力，此时开挖成型的台阶具有更为良好的完整性与稳定性。

（三）加强排水

在填挖结合部位施工时可以敷设小导管（提前在导管上设置孔洞，并敷设适量的碎石，以起到包裹、防护的作用）。对于雨后易渗水的路段，较为适宜的是在该处设置盲沟，增强排水效果，有效避免该路基段的积水问题。

六、结语

综上所述，在高填方路基施工中，不均匀沉降的控制为重点内容，切实做好此方面的工作对于保证公路的正常使用具有重要意义。鉴于路基沉降影响因素较多的特点，实际施工中应探寻具体的成因，合理应用加固技术，通过工艺的优化及优质材料的应用增强高填方路基的稳定性。此外，桥涵过渡段等关键部位应当成为重点被考虑的对象，做好加固工作。