高填方多级挡土墙路基沉降规律与稳定性数值模拟分析

刘源姝

摘要 山区公路的建设受地形限制会出现高填深挖的路基，这种路基稳定性较差，沉降量较大。为了保证道路的稳定性该地区在进行施工时应保证足够的压实度，并进行沉降观测等。文章针对高填方路基进行了以下内容研究：通过实际工程对高填路堤进行沉降试验，并设置沉降桩进行沉降观测。通过D-P模型对高填路基进行分析，得到了有限元模型的局限性。以上内容的分析为治理高填方路基沉降提供了理论依据和方法。

关键词 交通荷载等级;空心板;裂缝;加固措施

中图分类号 U416.1 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）02-0120-03

0 引言

随着我国高速公路向山区的快速发展，也遇到了相关的技术问题，如高填方路基出现沉降，稳定性不足等。我国山区高速公路建设过程中由于地形起伏、地质变化多样、交通运输困难，所以路基填高的石料主要来源于山体开挖和隧道爆破[1]。而这些材料主要是土石混合料，为遵循文明施工、节约用地、保护环境的宗旨，移挖做填已经成为路基施工常用的土方调配方法。所以高速公路在建设过程中出现高填方路段是不可避免的[2]。这种地区仍然存在施工技術和施工控制问题，路基边坡的稳定性和沉降预测以及施工控制仍然是重点待解决问题。

1 案例分析

1.1 工程概况

该文所依托工程为某三级公路，公路全长为50 km，设计速度为30 km/h，路基宽度为8.5 m，设计标准采用双向两车道。公路所在地区海拔140～626 m。该地区地势呈现西北高、东南低变化，路线范围内沟壑纵横。地貌形态可划分为构造剥侵蚀中低山、构造剥侵丘陵、剥侵堆积河谷。地表岩石风化程度较大，下部岩石完整性较好。

项目所在地区气候类型为亚热带季风性气候。主要气候特点为温州属中亚热带季风气候，冬季盛行从大陆吹来的偏北风，气温较低，雨水较少，湿度蒸发较小。

1.2 超高填方路基沉降试验方案

项目K32+670断面路基形式为半填半挖路基，填方路基边坡高度为51.56 m，路基一侧靠近山体，一侧为农田。因此填方部位放坡受到限制，为降低边坡的滑动力，增加边坡稳定性，设计了多级挡土墙进行支挡，如图1所示。

项目进行沉降观测时，采用CJY80系列沉降仪与DS水准仪结合观测。沉降导管沿道路横向进行埋设。由于施工过程对沉降管的破坏，最终导致监测管只剩下2#和6#。2#监测管对应道路桩号为K32+670，监测管位置位于三级挡墙墙身4.05 m高度处。与墙背距离为34.5 m。监测管总长为22.8 m。6#监测管对应道路桩号为K32+670，监测管长为9.84 m。路基施工完成后，应对其进行沉降观测。2#监测点共设置7个磁环，6#监测点共设置4个磁环。

在进行沉降观测前，对沉降监测仪和元件的埋设有以下要求：

（1）将最下方的沉降管端部进行密封，埋设山体内，同时浇筑混凝土与山体形成整体，保证不发生较大沉降。

（2）填方路基施工时，填土高度接近沉降管管顶时，继续连接第二根沉降管，直到沉降管漏出路基顶。

（3）管外2～4 m间距套上磁环，保证磁环随该地层而变化。

1.3 试验结果分析

（1）2#观测点沉降规律。沉降曲线以58天为界限，58天前沉降变化剧烈，58天后沉降变化趋于稳定。累计沉降量与高度之间呈非线性关系。高填路基沉降表现为正沉降，路基向上隆起。

（2）6#观测点沉降规律。6#观测点沉降变化曲线同样以58天为界限，分为剧烈变化和稳定沉降两个过程。58天后，沉降量趋于稳定，表明填方路基沉降完成。

高填路基沉降量预测曲线为S=−Alnt+B，其中S表示总的沉降量，单位为mm，A、B为常数，t为时间，单位为d。

1.4 全填方路基沉降试验方案

全填方路基沉降试验依据K29+400～500，路基填土最大高度为27.5 m。在K29+435桩号处，路基顶下面20 m处设置第一层沉降管，然后以4 m间距布置，共布置5层。沉降观测如图2所示。

为保证试验效果，施工时，沉降管埋设按如下设计：

（1）开挖沟槽：沿路基横断面进行沟槽的开挖，沟槽尺寸为（0.5×0.3）m。然后对槽底进行整平，避免施工造成沉降管顶损害。

（2）沟槽垫土：利用细土铺设沉降管垫层，细土厚度应>15 cm。

（3）将沉降管放于沟槽内，通过螺丝连接，保证沉降管轴线的水平度。

（4）填平：沉降管连接后，将沟槽填平，并进行压实，保证压实度大于96%。

1.5 试验结果分析

通过对全填方沉降观测发现，路基沉降规律为中部沉降量较大，路基边缘沉降量较小。沉降变化分为快速增长阶段和稳定增长阶段。从路基横断面分析，边坡到路基10 m深位置，沉降量增加较快，然后沉降量增加速率降低。施工时应注意，路基边1/12宽度范围内，应避免欠压现象。中部位置应增大压实功率，避免出现裂缝。

1.6 沉降桩监测试验方案

为保证路基的稳定性同时避免不均匀沉降带来危害，在强夯压实后的路基表面埋设沉降桩进行沉降断面观测，每层的观测装布置点为左侧路肩和右侧路肩以及中央分隔带。具体布置如图3所示。

1.7 试验结果分析

由于路基的填筑等可能导致地基出现较大沉降。在外部荷载的作用下，路基沉降一般分为初始沉降、固结沉降和次固结沉降三个阶段。在外荷载作用下路基的3种变形模式皆有可能出现，其中，初始沉降是在路基加载的瞬时出现的，路基内的空隙水无法及时排出，发生剪切变形，使得土体只发生形状的变化而无体积变化;固结沉降是路基沉降变形的主体组成部分，此时路基往往是由于土颗粒在外荷载作用下出现蠕变现象所引起的。路基的总沉降变形[3]：

S=Sd+Ss+Sc                                                                                                           （1）

式中：Sd为初始沉降，Ss为固结沉降，Sc为次固结沉降。

填方路基沉降变化发生过程主要为：发生、发展、成熟、极限四个阶段。

施工前期，土体处于弹性状态时，对土体施加压力，土中孔隙水不能及时排除而发生侧向变形。同时土体发生剪切变形，当荷载增加时，沉降量呈线性增长。

施工中后期，荷载继续增加，高填路基承受荷载越来越大。当填高达到一定程度后，路基中的孔隙水被挤出，超静孔隙水压力减小。土体压缩变形，基底变形量减小，土体进入弹塑性状态。

工后前期，荷载不再增加，孔隙水压力完全消散，固结过程尚未完成，沉降继续发生，但沉降速率降低。

2 有限元分析

2.1 半填半挖高填路基分析

2.1.1 模型建立

所依托工程为半填半挖路基，中心桩號为K32+670。高路段最大填土高度为51.56 m，填方路基靠近山体。因此填方部位放坡受到限制，为降低边坡的滑动力，增加边坡稳定性，设计了多级挡土墙进行支挡。

2.1.2 材料参数选取

模型建立过程材料参数选取如表1所示。

2.1.3 计算结果分析

为保证数值模拟具有一定的可靠性，现将全填方的模拟值与路基施工后7个月的实测值进行对比分析，结果如表2所示。

通过表2可知：不同监测点处的试验值大于模拟值，造成该现象的原因为施工过程中的压实度不足;模型不能较好体现土体侧向流动，对固结度计算、边界条件的设定存在一定难度，因此产生一定程度误差。

2.2 全填方路基分析

2.2.1 模型建立

对全填方路基进行模拟分析时，按平面应变问题进行，利用方法为总应力法。模拟过程中忽略土体排水固结和土体应力[4]。通过D-P模型分析土体非线性变化。对分层填土和分层压实进行模拟时，计算单元按填高1 m设置。固结计算时，孔隙水压力变化依据一维渗流问题来解决。模型底部为链杆，对垂直位移进行约束。路床边界为水平链杆，对水平方向位移进行约束。其他边界为自由边界。

2.2.2 材料参数选取

模型建立过程材料参数选取如表3所示。

2.2.3 计算结果分析

为保证数值模拟具有一定的可靠性，现将全填方的模拟值与路基施工后7个月的实测值进行对比分析，结果如表4所示。

通过表4可知：全填方路基试验值与模拟值变化情况与2.1.3分析结果相同。且压实度不足表现最显著的位置为靠近道路中心线处。

3 结语

通过高填方路基沉降变化及稳定性分析得到以下结论：

（1）通过对半填半挖高填路基和全填方路基进行分析可知，沉降量与时间关系满足公式：S=−Alnt+B。

（2）通过模型对高填路基进行分析时，由于D-P模型不能较好体现土体侧向流动，对固结度计算、边界条件的设定存在一定难度，因此产生一定程度误差。

参考文献

[1]邓爽，魏述和.公路软土路基的加固处理及沉降观测[J].四川水泥，2021（2）：265-266.

[2]魏翔.软土路基斜交构筑物过渡段沉降观测点布设方法研究[J].湖南交通科技，2020（4）：50-52+98.

[3]常文.浅谈高速铁路路基工程沉降观测中自动化监测技术控制要点[J].甘肃科技，2020（24）：90-92.

[4]霍雨佳.公路高填方路基处理工艺实践分析[J].建筑技术开发，2020（23）：152-153.