黄土地区高填方路基沉降处置措施

2022-11-29余美娴李金格刘丽萍

陕西水利 2022年9期

梁晨,余美娴,李金格,刘丽萍,梁军

（1.西安工业大学建筑工程学院,陕西西安 710021；2.中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安 710075）

王丽丽[1]在对高填方路基的研究当中分析和总结了高填方路基的危害性沉降带来的工程影响；田辉、文祥云[2]等人通过进行实地监测分析高填路基易出现的问题；郑建国、曹杰[3-4]等人采用离心试验模型对黄土高填路基进行分析,认为施工进度、填方高度、沟壑形状、填筑时间等因素对填筑体的沉降具有明显的影响因素；董琪、段旭[5]等人对已有工程进行检测,认为黄土沟壑的不同位置对于高填路基的工后沉降的组成不同；曹杰、郑建国[3-4]等人采用离心试验模型对不同沟壑的边界条件对高填路基的影响进行研究,分析“刚性”和“柔性”边界的影响。

1 高填方路基沉降特性

在土的压缩系数公式中=e/p,可以看出土的压缩性主要取决于孔隙率以及受压的情况,也就说明在高填路基中,不同的施工情况（如压实度、含水量等）、土质、填土高度都对高填路基的总沉降量具有重要影响[6-7]。以下从3 个方面对高填方路基的特征进行描述。

（1）工程施工进度

高填方路基的填筑体沉降主要为施工过程中的分层密实沉降,而施工后沉降量在总沉降量中占比较小。从横向上来说,路基较长,不同区域的路基受到外界的扰动也不尽相同,在遇到高填方路线较长的情况下,一般情况下采取分层填筑的时候不能横向上一次性完成,横向搭接的时候可能会对沉降造成影响；从纵向上来说,由于填筑体高度较大,所以应当采取分层铺筑,还要注重纵向上的分层搭接。（2）施工质量

高填方路基往往填方工程量较大,需要大量的填筑材料在较大的区域内进行填筑。刚进行填筑时往往需要采用分层的填筑方式,所以对工程施工质量有严格的要求,要严格控制施工质量。

（3）填筑体高度大

高填路基的填方高度较大,因此填筑体的自重较大,不仅对原土层具有影响,还对自身的稳定性也有要求,尤其是在边坡的稳定性方面。

（4）环境扰动

填方工程的基本物质条件就是填筑材料,在高填路基中,需要用到大量的填筑材料,材料的获取往往会对当地的环境造成影响,同时填筑的时候也会对填筑地区的环境造成影响[8]。

2 黄土地区高填方路基

2.1 沟壑形状对高填方路基的影响特征

（1）一般情况下,沟壑呈现出上宽下窄的特征,因此在进行高填方路基的填筑的时候,会呈现出两边距原始坡面距离近、中间距原始坡面距离远的填筑特点,因为高填方路基沉降量和填筑深度呈线性关系,所以在沟壑中进行填筑的时候,填筑体两边的沉降量相对于中间的沉降量小,这个沉降量包括填筑体的沉降量还包括原始土体的沉降量。

（2）“V”形沟和“U”形沟。在进行地形研究的时候,可以把黄土地区的沟壑划分为“V”形和“U”形两种形式。“V”形沟的沟壑坡面相对平缓,沟壑较为狭窄；“U”形沟的沟壑坡面相对陡峭,沟壑较为宽阔。这两种沟形对于高填方路基具有以下特性：

a.由于“U”形沟相对于“V”形沟来说,其约束较小,因此沉降量较大。

b. “V”形沟和“U”形沟所呈现出来的沉降阶段特点不同。“V”形沟施工阶段沉降量相对较小,但是施工后沉降量较大；“V”形沟施工阶段沉降量相对较大,但是施工后沉降量较小。

c.由于两种沟形的形态特征不一样,所以虽然“U”形沟的沉降量相对较大,但是沉降率和“V”形沟的沉降率很接近。

2.2 沟壑边界效应对于高填方路基的影响特征

针对“V”形沟,根据不同地理位置的地质特征,可以将边沟的边界条件分为“柔性”和“刚性”边界条件。

（1）由于边界的约束条件不一样,所以在施工阶段,“柔性”边界条件下的高填方路基的沉降量比“刚性”边界条件大；在施工后沉降阶段,“柔性”边界条件下的高填方路基的沉降量比“刚性”边界条件大。

（2）“V”形沟中,“柔性”边界条件下的高填方路基的沉降矢量要比“刚性”边界条件下的沉降矢量更为显著,主要原因是“柔性”边界条件的原始土体的施工后沉降量大。

（3）在遇到雨水或者地下水等水流作用下,“刚性”边界条件比“柔性”边界条件下的沉降量较小。

（4）在施工阶段,由于“柔性”边界的渗透性更好,所以在进行分层压实时,“刚性”边界条件比“柔性”边界条件下的压实度较小。

3 高填方路基沉降处置措施

高填方路基研究的主要目标之一就是控制其沉降量及处置措施。高填方路基如果发生比较严重的整体沉降或者不均匀沉降时,很可能导致路面结构、路基结构以及道路附属设施的损坏,对道路寿命以及形式安全造成影响,甚至会导致道路的损毁,无法正常运行,所以必须采取措施来减少和避免高填方路基的破坏性沉降。

（1）分层填筑。高填方路基的填土厚度基本都在20 m以上,如果采取一次性填筑的方式,在施工阶段的压实措施就只能提高填筑体表层一定范围内的压实度和密实度,而表层以下土体可能会发生不均匀沉降。如果采取一次性填筑,其施工后自然沉降量较大且持续时间较长,对道路运行造成不良影响。

（2）合理制定工期计划。由于高填方路基工程量大,持续时间长,所以填筑难度较大,为此要合理安排施工进度,施工人员、机械和材料的运送配备要合理, 以保证在工程项目在工期内完成。

（3）基底处理。高填方路基的沉降量不仅有填筑体的沉降还包括了原始土层（基础）的沉降,因此在控制沉降量的时候还要考虑到原始土层沉降量的控制,为此可以采取清表、换填、夯实、长螺旋钻孔灌注桩,碎石垫层及土工格栅铺设等方法。

（4）错台搭接。在进行分层填筑的时候,要考虑到高填方路基的整体性,所以进行错台搭接,以此来保证整体性,减少不均匀沉降。

（5）边坡防护。边坡在道路工程中非常的常见,同时也对道路的正常使用具有重要作用,而高填方路基的边坡要比一般填方路基的边坡要高许多,所以应当注重高边坡的防护,提高边坡稳定性。

（6）填筑体材料的选择。通过压缩系数=e/p,可以发现不同的土质的压缩系数不同,除了在保证合理的施工工艺处置外,还应当注重填筑体材料的选择。

（7）填筑体材料加固。可以运用土体加固胶结技术、注浆加固、灌注桩、土工格栅等方法提高填筑体的自身强度,同时还可以采取预压等方法增加施工期荷载,减少高填方路基沉降。

（8）排水防水。水的作用对高填方路基沉降的影响较大,尤其是在例如黄土等特殊土地区,为了避免和减少沉降,应该在设计和施工时,注重工程当中的排水防水措施,减少水的影响。

（9）监测。针对于高填方路基,可以在竣工后进行一段时间的沉降监测,减少异常沉降发现不及时带来的危害[8]。

4 工程实例

依托黄土地区某地新建高速公路项目,选择该项目中K15+895 断面高填方路基设计图进行仿真模拟,该断面采用台阶搭接,台阶宽2 m,以此研究分层填筑对高填方路基顶面的沉降变形影响。为了方便模型运算,将地基土设为同一种土体,路基土为夯实黄土。参照已有论文和依托工程选取土体材料参数,见表1。

表1 土体参数

在进行模拟时,为了凸显分层填筑的施工过程,因此在ABAQUS里面使用生死单元技术,并对每一土层施加重力。通过仿真模拟可以得到竖向沉降云图,见图1。从云图中可以看到：采用分层填筑时整个路的最大沉降值为12.25 cm,不采用分层填筑时最大沉降值为11.32 cm,两种情况沉降值相近。

图1 两种工况下的路基沉降变形图

图2是路基顶面沉降折线图,从图中可以看出：若不采用分层填筑时,路基顶面沉降整体较小,但是沉降最大值为6.67 cm；采用分层填筑时,最大沉降仅为5.74 cm,且沉降变形较为平稳,路基顶面外侧与内侧的差异沉降较小,有利于控制发生在路面反射裂缝。从沉降变化趋势可以看出,采用分层填筑有利于控制路基沉降及差异性沉降,并有利于道路的后期运营。

图3 是路基顶面剪应力变化折线图,从图中可以看出：不采用分层填筑时,路基顶面的剪应力值较大,且变化较为剧烈,最大应力值可达21.12 kPa；与其相对的是采用分层填筑的路基顶面剪应力,其值最大值为10.14 kPa,且最大剪应力位置位于基岩与路基交界面。而不采用分层填筑的时候,剪应力最大的值位于路基外侧,路基外侧承受较大应力,不利于后期路基运营,此时应注意路基顶面的夯实处理。从图3还可以发现,两种情况在台阶范围内剪应力变化相似,主要受到基岩搭接作用,这种情况同样可以从图2 中发现。

综上可以得出：采用分层填筑时最大沉降位于路基中下部,而不采用分层填筑时最大沉降位移存在于路基中部；结合路基顶面沉降和剪应力变化趋势可以得出:采用分层填筑将有利于控制路基顶面最大沉降以及差异性沉降,同时可以减小路基顶面剪应力,有利于路基的后期运营,同时通过图1、图2 变化趋势可以得到：路基外侧受到的沉降变化和剪应力变化较为剧烈,因此应当注意路基外侧的施工处理,防止出现路面较大的反射裂缝。