黄土填料高填方路堤压实效果分析

刘 兵

(山西交通控股集团有限公司吕梁南高速公路分公司 汾阳市 032200)

0 引言

采用黄土作为路基填料，必须保证路基的稳定性和变形满足要求，而路基压实效果是影响沉降变形的最主要因素之一[1]。路基压实质量不合格，会直接导致路基路面工后沉降变形超过容许范围，进而出现开裂、沉陷、桥头跳车等病害[2]，影响行车舒适性和行车安全。因此，应加强对黄土填料高填方路堤的沉降监测，检验路基压实效果，及时发现问题进行处理。结合太原市太行路黄土填料高填方路堤施工案例，根据施工现场实际情况制定施工方案，并在施工过程中开展监测，分析路堤横向和纵向变形规律，确定路基压实效果。

1 工程概况

1.1 工程简介

山西省太行路公路工程K6+100～K7+360段设计采用高填方路基，该施工区域地表高低起伏大。太行路公路工程为城市快速路，路堤最大填方高度约13m，路基填料采用太原东山黄土。该路段原地基为湿陷性黄土，最大湿陷深度达到11.2 m。为提高地基承载力，采用强夯法进行加固处治。路基填筑采用分层压实和重夯相结合的方式，以保证路基的压实质量。

1.2 黄土填料高填方路堤施工方案

高填方路堤填料选用太原东山地区的黄土，施工过程中严禁混入生活垃圾等杂物。严格控制路基填料含水率，略高于最佳含水量1%左右，以保证压实后达到最大干密度，进而达到最大压实度[3]。如填料含水率过大，应进行翻晒，填料含水率不足时应洒水闷料。

为了进一步提高路基压实质量，在采用压路机压实的同时，进行重夯处治进一步提高路基压实度。重夯机械选用QU20型起重机，采用质量为5 t的圆形夯锤，锤底直径1.4 m。施工配备推土机2 台、平地机2 台、50t振动压路机2 台。施工前使用推土机对原地面进行清表，超挖2m后采用重夯进行处理，加固深度不得低于1 m，然后在路基基底通铺1 m厚6%灰土。黄土填料分层填筑、采用振动压路机压实，然后再进行重夯处治。重夯夯点采用正方形布置，布置间距为2.5 m，单点夯击能为500kN·m。重夯一共为三遍，第一遍夯击1号主夯点，第二篇夯击2号副夯点，第三遍夯击全部夯点。

2 黄土填料高填方路堤沉降计算

2.1 计算方法

黄土填料高填方路堤的沉降包括路基自身压缩变形沉降、地基土沉降、施工期间沉降和完工后沉降。本文主要研究路堤在自重作用下产生的沉降，常用的研究方法有分层总和法、数值计算法、现场监测与预测等方法。分层总和法是对路堤各个分层中心位置应力进行计算，结合室内压缩曲线，进一步计算得出路堤总体沉降量。

(1)路堤内部应力计算公式

高填方路堤采用分层填筑，是一个逐级加载的过程，在土体自重应力的作用下各层土体产生压缩变形。分析各土层所承受的应力，分别对各土层沉降变形进行计算，累加起来得到路堤的总变形。

为简化计算工作量，不考虑车辆荷载的作用，各土层自重应力σi按式(1)计算。

σi=γiHi

(1)

每填筑一层，对下方各层土体的附加应力按式(2)计算：

(2)

式中：Hj、Bj为第j层填土厚度、上顶宽；Lj为第j层填土边坡宽度；Δσij为第j层填土对第i层土体的附加应力；y为第i层和第j层土层中心高差(m)。

上方土体对第i层土体附加应力总和按式(3)计算：

(3)

(2)分层总和法计算公式

(4)

式中：Hi为第i层填土厚度；Pi为第i层填土受到的所有应力之和，Pi=σi+Δσi；ESi为第i层填土在受到所有应力作用时所对应的压缩模量。

路堤总变形量为每层填土压缩变形的和，按式(5)计算：

(5)

2.2 路堤沉降量计算

结合本施工案例，选取K6+300、K6+500、K6+700、K6+900、K7+100五个典型断面，计算路堤沉降量。为了保证计算结果准确，分层厚度为1m，分别对每层压缩变形量进行计算。五个典型断面填层厚度分别为28 m、23 m、19 m、17m、16 m，边坡坡度均为1∶1.5，路堤顶部宽度为32m。每隔一定厚度确定一次填土压缩模量ES，分别按3n、3n+1、3n+2(n取值范围为0～9)三个代表深度，Es-P幂函数拟合公式如表1所示，各典型断面沉降计算结果如表2所示。

表1 不同代表深度Es-P幂函数拟合公式表

表2 典型断面沉降量计算结果

3 路基变形监测方案

3.1 测点布置

路基沉降变形包括自身压缩变形产生的沉降和地基压缩变形产生的沉降变形两部分，为降低地基沉降变形，采用强夯法进行加固，路堤分层填筑、分层压实，逐层检测压实度，并开展沉降监测，确定路基压实效果。在K6+100～K7+360段高填方路堤施工过程中，布置监测断面，对填方路基内部变形情况进行监测。地基变形和路面沉降变形采用高精度数字水准仪监测，填方路基内部变形监测通过沉降仪、PVC沉降管和沉降磁环开展监测。

在填方路段，每隔200m布置一个监测断面，分别在路基中线和两侧路肩布置3个沉降监测孔。沿线布置5个监测断面，分别为K6+300、K6+500、K6+700、K6+900、K7+100，共布设15个孔，测点布置如图1所示。每个沉降监测孔沿深度方向布置4个监测点，沉降磁环布置深度分别为0、3m、7m、地基顶部(最大深度为13m)位置。

图1 高填方路堤沉降监测点布置示意图

3.2 监测内容与监测方法

主要研究路堤的竖向沉降变形，分层埋入沉降管和沉降磁环后，使用分层沉降仪对路堤的沉降变形进行监测[4]，分析路堤内部不同深度土层的压缩变形情况。在正式开展路堤沉降监测前，首先选取一个校核基点，通常布置在路堤施工范围以外，并做好保护，本项目共选取3个基点。沉降监测采用XBHV-10型钢尺分层沉降仪，通过测量每个监测点4个磁环与管顶之间的距离，计算确定沉降量。测量时首先将金属测头放入沉降管底部，然后自下向上依次测量各个磁环与管顶之间的距离，测头接触到磁环上部时会发出鸣响，记录此时的监测数据。每个磁环观测两次数据，两次数据偏差不超过2mm，取平均值作为当次监测结果[5]。根据基准点标高确定各沉降管管口标高H0，然后根据各磁环距管口距离ΔH，计算确定磁环标高H，如式(6)。

H=H0-ΔH

(6)

测点布设完成后首次测量确定各磁环初始标高，以后每次测量后标高与初始值相减确定沉降量，测量精度为1 mm。

4 路堤现场沉降监测结果分析

4.1 典型断面横向监测结果分析

K6+100～K7+360段高填方路堤施工完成后不久就开始运营通车，同时开展沉降监测，对填方路堤内部沉降情况进行监测，监测时间为一年。由于各断面监测结果变化规律相近，选取五个监测断面中填方高度最大的K6+700断面监测结果作为研究对象，分析确定路堤横向沉降变化规律。整理C1-3、C2-3、C3-3三个测点沉降监测数据，绘制沉降变化曲线如图2所示。

图2 K6+700断面各测点沉降变化曲线

分析图2所示曲线变化趋势，路基中部沉降变形量最大，两侧路肩沉降变形量相对较小，均呈现前期沉降变化速率较高，后期逐步趋缓，最终达到稳定状态。路堤中部沉降量最大，为29 mm，两侧路肩累积沉降量分别为24.5 mm和26 mm，路堤中部沉降量最高。两侧路肩沉降量存在一定的差异，填筑厚度相同，分析原因是由于路堤上部交通荷载、两侧地形、地基地质情况、压实工艺等存在差异造成的。

4.2 路堤纵向监测结果分析

由于路堤中部的沉降变形量最大，因此取路堤中部沉降监测点的监测数据作为研究对象，对应的测点分别为C2-1、C2-2、C2-3、C2-4、C2-5五个测点。各测点监测时间为360d，收集监测数据绘制各测点沉降量随时间变化曲线如图3所示。

图3 路堤中部测点沉降量变化曲线

分析图3所示曲线变化趋势，可以得出在监测前期各测点沉降变形量较大，变形速率较高，在监测28d后沉降量明显下降，监测300d后逐步达到稳定状态。分析原因是前期路堤沉降量较大，主要是由于路堤在自重和外界荷载的作用下不断固结，而后期路堤压缩变形不断稳定，路堤内部逐渐固结，沉降变形逐步达到了稳定状态。另外，各测点最终沉降量存在一定的差异，其中C2-3沉降量最大，为29 mm，而C2-5沉降量最小，为24.2 mm，分析原因是由于路堤填筑厚度不同等原因造成的。

4.3 理论计算值与实测值

结合现场监测结果，填方路堤最大沉降变形量为29 mm，各监测断面理论计算值与实测值如表3所示。

表3 各监测断面理论计算值与实测值

通过对比分析，可以得出理论计算值略大于实测值，分析原因主要受施工因素、取样代表性、试验方法等方面的影响造成的。另外，各断面实测值均小于理论计算值，说明该路段黄土填料高填方路堤沉降量较小，路堤稳定性良好。

5 结语

在太行路高填方路堤施工过程中，采用分层压实和重夯相结合的压实技术，并在完工后对路基沉降变形进行监测，分析路堤横向和纵向变形规律，得出以下结论：

(1)通过分析路堤横向变形监测结果，得出路堤中部沉降变形最大，两侧路肩沉降变形相对较小，分析原因是由于交通荷载、地形、地质和压实工艺等因素造成的。

(2)通过分析路堤纵向变形监测结果，各测点沉降变形规律基本一致，呈现前期变形速度快，变形量大，而后逐步趋缓，最终达到稳定状态。

(3)统计监测结果，得出路堤横向和纵向沉降变形均呈现前期变化大，随监测时间逐步趋缓，并最终达到了稳定状态，这是由于在监测前期路堤内部填土还没有完全固结，在监测一年后逐步固结并达到了稳定状态，说明路堤压实达到了预期效果，压实方案可行。