软基高填方路堤稳定性影响因素分析及对策

杜英亮

（中铁十六局集团第一工程有限公司，北京 101300）

0 引言

高速公路的投资兴建，既为我国经济发展提供了强大动力，同时也有效吸纳了剩余社会劳动力，在保障民生发展的同时也促进了社会的稳定[1]。在高速公路建设过程中，我国普遍采用高填方路堤作为路基。这种路基形式能够有效保持稳固性，同时有利于避免路基受到雨水等的侵蚀，可以提升高速公路的使用寿命。由于我国幅员辽阔、地形地貌复杂，不可避免地会出现在软土地基上修筑高填方路堤的情况。施工运行中，软基高填方路堤的稳定性会受到影响，同时对于边坡的保护效果会出现折损，容易造成高速公路在使用过程中出现路面开裂、路肩失稳、基础不均匀沉降等安全隐患，既为高速公路的养护增添了负担，又容易降低高速公路的承载能力[2]。本文选择湿陷性黄土作为典型软基，研究软基高填方路堤的稳定性影响因素，对其开展现场测量并对测量结果进行定量分析，从而制定有针对性的路堤稳定性提升措施。

1 工程概况

为了分析软基高填方路堤的沉降情况并据此开展路堤稳定性研究，特选取某在建公路中的一段作为研究对象。该公路工程位于山西省忻州市岢岚县，属于湿陷性黄土区域；该段公路路堤设计高度达17.92m、底宽50m。为了增强结构稳定性，采用碎石桩复合地基预压固结法进行基础加固；考虑到当地对流天气特征明显，夏季多强降雨，因此采用排水带预压加固技术进行排水处理，排水带呈三角形分布[3]。该公路工程相关技术参数如表1所示，并选取该公路工程中12km的长度作为沉降观测和稳定性分析的样本。

表1 公路工程基本技术参数（单位：m）

2 沉降规律观测技术方案

选定样本路段作为研究对象之后，需要对该段样本路段的沉降量进行持续观测并统计分析其变化规律，从而为路堤稳定性分析提供依据。影响高填方路基稳定性因素主要有路基填料性质、边坡坡度、地基理化性质、水文状况、路基压实机具、施工方法等。对于这些影响因素很多文献做出了研究，本文假设这些基本要素都处于理想状态，进而研究其他要素对高填方路基稳定性的影响。

为了对样本路段的沉降量进行对比观测，将该段公路划分为三个试验区，每个试验区的长度均为4km。不同试验区分别用数字1～3进行标识和区分，各个试验区的观测仪器布设情况如表2所示。

表2 试验区观测仪器布设情况

采用以上设备，对该样本路段的观测点沉降量、孔隙水压力、土压力等的变化过程进行检测，通过分析这些观测值的变化判断路堤稳定性。

3 观测值变化情况分析

3.1 沉降量变化情况

在半年时间内，分四次（3月1～15日、5月15～30日、7月1～15日、10月1～15日）对试验区1进行多天长时间连续观测，对于采集到的数据进行统计分析，结果如图1所示。

图1 试验区1多天长时间沉降量观测数据

对图1中的数据进行分析，可以看出沉降量的变化情况呈现一定的规律性。四次观测过程中，基本上沉降量在0～0.3cm之间变化。第1次的观测值变化较为平缓，很大原因是当时公路所在地区处于冻土期，气温极低造成土层沉降量没有显著变化；在5月份、7月份和10月份迎来了沉降变化剧烈的时期，一方面是因为气候变暖、土层的沉降性开始显现，另一方面是公路上通行的车辆较多，对道路频繁碾压造成土质疏松并开始产生沉降变化。

3.2 孔隙水压力变化情况

在半年时间内，分四次（3月1～15日、5月15～30日、7月1～15日、10月1～15日）对试验区2进行多天长时间连续观测，对于采集到的数据进行统计分析，结果如图2所示。

图2 试验区2多天长时间空隙水压力变化观测数据

对图2中的数据进行分析，可以看出该路段的孔隙水压力变化值始终处于1.8×10-3MPa以下。作为影响地基围岩稳定性最重要的因素，地下水的变化需要重点关注。通过对该路段不同区位的孔隙水压力进行观测，可以对当地的地下水变化情况进行预判，从而为公路基础设计提供参考。从图2可以看出，在全部观测时间内，孔隙水压力变化较为平缓，并没有出现突变情况，说明该段公路所在区域地下水流动情况较为稳定，对路基及路堤的稳定性影响较小，同时更多地是通过对路基围岩作用产生冲击作用，时间久了会对路基的承力性能产生综合侵蚀作用。

3.3 土压力变化情况

在半年时间内，分四次（3月1～15日、5月15～30日、7月1～15日、10月1～15日）对试验区3进行多天长时间连续观测，对于采集到的数据进行统计分析，结果如图3所示。

图3 试验区3多天长时间土压力变化观测数据

对图3中的土压力观测数据进行分析，可以看出相对于孔隙水压力，土压力的变化范围较小，最大值不会超过0.6×10-3MPa，远小于孔隙水压力的变化。综合4次测量值的变化情况来看，土压力值的变化较为平缓，同时相比之下，第2次、第3次和第4次的测量值幅度较大，与图1中的变化情况较为一致，这反映出土压力的变化也较易受到气候变化的影响。

4 路堤稳定性影响因素及提升措施

4.1 路堤稳定性评价指标

综合图1～图3所示的结果，可以看出对于该路段的路堤稳定性，沉降量、孔隙水压力和土压力都会产生一定的影响。为了评价各种影响因素的作用，可以采用分层总和算法对最终沉降量进行计算，公式如下：

式中:

n——路堤沉降计算分层层数；

eoi——路堤中第i层土由静力水准连续剖面测试仪测量得到的沉降量；

e1i——对应的测量误差；

Δhi——第i层土的计算分层厚度；

ΔPi——第i层土的空隙水压力；

Esi——第i层土的侧限压缩模量；

Poi——第i层土的土压力变化值；

Pci——与土压力相对应的固结压力；

Cci——相应的土层压缩指数；

Sc——最终沉降量。

按照公式（1），将路堤所在的路段共分为4层进行计算，每层的分层厚度Δhi取为0.2m；相应地固结压力Pci取为1×10-3MPa，土层压缩指数Cci取为1。相应地，根据公式（1）可以计算该路段每层的最终沉降量变化曲线，如图4所示。

图4 路堤分层最终沉降量

公式（1）中，等号右侧每一项分别对应静力水准连续剖面测试仪测量得到的沉降量、因为孔隙水压力变化产生的沉降量和因为土压力变化产生的沉降量，分别计算各项的具体数值，将其与图4中计算得到的最终沉降量进行比对，可以得到各影响因素对路堤沉降的综合影响，通过影响指数的形式进行表示，公式如下：

根据公式（2）～（4）并结合图1～图4的数据进行计算，可以得到：I静力水准=35%，I孔隙水压=47%，I土压力=18%。由此可见，在影响总沉降量的因素中，孔隙水压力的影响最明显，由静力水准连续剖面测试仪测量得到的沉降量对总沉降量的影响居中，土压力的变化对总沉降量的影响最不明显。因此，进行路堤结构设计时，应该采取措施尽量减少孔隙水压力变化带来的沉降。

4.2 提升路堤稳定性的措施

为了尽量减少孔隙水压力变化对软基高填方路堤稳定性的影响，同时兼顾由静力水准连续剖面测试仪测量得到的沉降量和土压力变化情况，特制定如下措施确保路堤稳定性。

（1）通过加宽路基宽度提升路堤稳定性。通过以上分析可以看出，静力沉降量、孔隙水压力、土压力等的变化都会对路堤稳定性造成不良影响，为了抵消这些不良影响，可以在路基宽度设计值之外增加额外碾压宽度，给这些不良影响带来的沉降提供缓冲，有效减少因为冲压不平衡带来的偏离，避免因路基施工后沉降使其路基宽度小于设计宽度造成失稳和失衡。

（2）选择适宜的路基填料。填筑路基的理想填料为水稳定性好、压缩性小、便于施工压实以及运距短的土石材料。在选择填料时，要考虑料源的经济性及填料的性质是否适宜。用不同填料填筑路基时，应分层填筑，每一水平层均应采用同类填料。而泥炭、淤泥、冻土、强膨胀土及易溶盐含量超过允许限值的土均不得用做填料。在高填路堤中采用加筋施工工艺，有着良好的效果。

5 结束语

本文选择特定路段作为研究对象，在排除了路基填料性质、边坡坡度、地基理化性质、水文状况、路基压实机具、施工方法等基本因素之后，重点研究静力沉降量、孔隙水压力、土压力等的变化对路堤稳定性的影响。通过现场测量并对测量数据进行分析，确定了影响路堤综合稳定性的最主要因素是孔隙水压力的变化，其次是由静力水准连续剖面测试仪测量得到的沉降量变化，最后是土压力的变化，据此制定了保证路堤稳定性的措施。本文基于对测量数据的定量分析得到了相应的结论，可以为公路设计施工提供参考。