高填方路基工后沉降预测与控制探讨

肖 骏

（江西省交通工程集团有限公司,江西 南昌 330000）

0 引言

随着我国公路建设规模的不断扩大，高填方路堤大量涌现，高填方路堤沉降也随之成为当前高速公路建设过程中所面临的难题之一。研究者在填方路基沉降理论、数值模拟等方面进行了一些研究，也提出了相应的路基沉降预测模型，但是高填方路基沉降影响因素多而复杂，尤其是山区高填方路基填料来源众多，填料颗粒和级配很难完全满足规范要求，无形中增大了山区高填方路基工后沉降预测难度。如果采用传统沉降预测方法，必定要针对每种填料展开大量试验，耗时耗力，试验结果的准确性也难以保证。为此，必须在充分考虑各种复杂因素对路基工后沉降影响的基础上，积极探索切实可行的工后沉降预测方法，保证预测结果的准确性，以便采取针对性强的控制措施，达到有效处治高填方路基工后沉降的目的。

1 工程概况

G312线凤翔路口（陕甘界）至平凉东（曹湾村）段公路改建工程路线起于平凉市泾川县陕甘交界得凤翔路口，途经罗汉洞、泾川县城、崇信县城、花所乡信河村、白水镇大潘村，止于平凉东曹湾村，路线全长103.879 km（含罗汉洞连接线1.691 km）。该项目是G312线甘肃段的重要组成部分，为新建路段，设计速度60 km/h，路基宽12 m。路基挖方192.15×104m³，路基填方104.6×104m³，特殊路基处理6.649 km，路基防护3.17×104m³，排水工程1.24×104m³，涵洞26道，大桥1 044 m/3座，小桥19 m/1座，隧道3 915 m/3座，新建隧道管理站1处，隧道变电所2处，隧道消防泵站1处，沥青路面126 276 m2，线路全长12.579 km。

该新建路段试验段以黏性土及卵砾石等成分的残坡积地层为主，地层从上至下依次为：①7.2～13.6 m厚浅黄色黄土层，土质均匀，干燥～稍湿，含砂量高，成分以可塑粉粒为主，属于Ⅱ级湿陷性黄土；②4.5～5.1 m厚浅红色黄土层，湿密均匀，含砂量高，硬塑；③2.0～4.8 m黄褐色卵石层，分选性不良，以变质砂岩碎屑为主要骨架成分，卵石粒径2～10 cm，充填少量土和细砂；④紫红色泥岩，泥质结构成岩性良好，且与钙质胶结，硬度不均匀。土层物理力学性质详见表1。

表1 土层物理力学性质

2 沉降实测

以外界干扰少，对土质要求低的JMDL-4720A智能型单点沉降计为试验设备，该仪器量程200 mm，此外还使用DSC测试系统软件JMZX-2007-1、CMNET传输网模块和JMBV-1116综合采集模块。在试验段选择三种不同填筑方式断面为典型断面，依次于断面路肩两侧、路基中点等表层土体中布设沉降数据采集线，并设置监测点，以长期观测该高填方路基工后沉降和稳定性。根据实测结果，路基中点沉降明显比路肩两侧大，出于公路工程安全运行的角度考虑，将3个断面路基中点沉降监测数据和路堤填筑高度绘制成曲线，详见图1，其中，断面1为路基清表后直接填筑的断面；断面2为CFG桩处理后的路堤断面；断面3为换填填筑后的路堤断面。在每个断面分别设置两个测点，共设置6个测点，依次标号为 A1～A6。

图1 典型断面路基中间点沉降实测结果

3 沉降预测及分析

3.1 典型预测模型拟合

应用时间对数法、指数法和泊松曲线法三种常用的典型预测拟合模型[1]进行该高填方路基工后沉降预测，所构建的模型详见表2，根据表中内容可以看出，对于对数法而言，除测点A6外，其余测点拟合曲线相关系数均在0.96以上，精度较高；对于泊松曲线法而言，拟合曲线相关系数均在0.95以上；而指数法拟合曲线相关系数均不超出0.6。对数法和泊松曲线法能较好拟合现有沉降曲线，且模拟精度高，故应用这两种模型进行该高填方路基段工后沉降预测。

表2 工后沉降典型预测模型[2]

为进行对数法和泊松曲线法对高填方路基工后沉降长期预测效果的评价，分别采用两种模型进行6个月、8个月、12个月、24个月、36个月测点A1～A6路基沉降量的预测，结果见表3。由表中预测结果可知，工后6～36个月之间，对数法和泊松曲线法所预测结果明显不同。例如A1测点，对数法所预测的其工后沉降会随时间的推移而呈增大趋势，12个月沉降量比工后6个月的沉降量增大18.5 mm，12～24个月之间沉降量增大18.3 mm，24～36个月间沉降量增大11.5 mm；泊松曲线法所预测的工后沉降则随时间的推移而下降，工后6～12个月间沉降量减小12.6 mm，12～24个月间沉降量减小2.6 mm；路基在工后24个月基本接近稳定状态。

表3 工后沉降量长期预测结果 /mm

根据类似工程路基沉降观测结果，工后6个月内的路基沉降在总沉降量中的占比约占80%左右，工后8～12个月趋于稳定；沉降持续时间主要与填料和基础情况等有关。根据以上预测结果，工后6个月时对数法和泊松曲线法下该公路路基已经完成总沉降的60%和85%，这与实测结果基本吻合；对数法下所预测的24个月后的沉降量明显大于泊松曲线法，在不限定时间的情况下，对数法的沉降量预测结果将无法收敛，不符合实际；而泊松曲线法预测结果更加符合工后实际沉降。

3.2 FLAC3D沉降模拟

采用FLAC3D有限元差分法进行以上三种工况下典型断面工后沉降模拟，为保证模拟过程和结果更加贴近实际工程填土对沉降的影响，逐级增加荷载。模型构建时，为体现填筑高度变化对土体应变的影响，具体采用Mohr-Coulomb模型[3]。由于该新建路段路基尺寸大，有限元单元多，如果每完成一层填筑计算一次，必将增大计算工作量，且通过比较发现，每填筑两层计算一次的结果精度并无显著降低。所以，按照每填筑两侧计算一次工后沉降。

以断面1为清表后直接填筑的典型断面，该断面路面宽84 m，路堤宽200 m，边坡坡度为2∶3，填土深6 m，分层填筑且每层填土厚度为30 cm。地基深25.2 m，每填筑两层即60 cm进行一次工后沉降量计算，由于路面对称，故取一半展开模型计算。

从路基填土结束后地层沉降固结云图可以看出，模拟结果和实测数据较为吻合，根据进一步预测，工后6个月沉降固结已经完成85.8%，说明该高填方路基工后沉降基本稳定，后期沉降小。

3.3 预测结果比较

将FLAC3D有限元差分法所得到的典型断面模拟沉降量值和典型预测模型法预测值与实际沉降曲线进行比较，分析可知，在不同工况下，典型预测模型法拟合误差更小，预测效果也更优，尤其是断面1的拟合误差始终不超出±10%；FLAC3D有限元差分法预测值直至工后140 d时误差才接近10%。通过分析原因看出，FLAC3D有限元差分法所采用的参数基本为试验参数，试验土样在取样过程中已经受到扰动，尤其是高灵敏度软土，轻微的扰动便会造成试验参数的较大偏差。FLAC3D有限元差分法模拟工后沉降时因Mohr-Coulomb模型未考虑孔隙水、土体固结等对沉降的可能影响，但典型预测模型法预测时不使用土样试验参数，仅通过实测数据进行工后沉降预测，故预测结果准确度更高。

通过比较典型预测模型拟合法和FLAC3D模拟法工后沉降预测误差，断面1误差最小，断面2误差最大。主要原因在于断面1在清表后直接进行了路堤施工，对原状土扰动小，沉降规律预测较为容易；断面2通过CFG桩加固路基，桩体打入对土体扰动大，且桩间土与原状土特性存在较大差异。两种预测方法后期沉降预测精度均比前期高，因为后期土体固结度随之增大，当路基整体稳定性提升后，沉降量波动也更小。

4 工后沉降控制

4.1 路堤监测

我国高填方公路路基工后沉降一般在30 cm以内，根据《公路路基设计规范》（JTGD30—2015），沉降监测必须从边坡开挖开始，直至边坡施工全部结束，如果存在异常，还必须在运营后继续监测[4]。为此，该高速公路高填方路基边坡开挖施工期间必须每开挖1级便观测1次，对于填筑时间间隔较长的情况，应每隔3 d观测1次。挖填施工过程中，如果监测指标超出规范允许值，必须加大监测频率。

高填方路堤应以位移和沉降为重点监测内容，对于填方基础存在软土层的情况，应将空隙水压力计埋入软土层1.0 m以下，并从初始地面线和填方土体交界处开始每间隔5 m布置2个测点。各断面平台上布置沉降板，同时在高填方路基每个台阶处增设1个沉降钉，以分层观测高填方路基沉降。

4.2 防排水设计

路基结构强度和稳定性受到地表水和地下水影响较大，高填方路基防排水设计的目的在于将地表水和地下水及时排出路基，排水方式主要有坡面排水和地下排水两种，前者可设置截水沟、排水沟、边沟，后者则包括渗井、盲沟等。路基铺筑时还应在路基表面设置防水土工材料，优化防水效果。除采用常规性的防排水设计外，该高填方路基还应当采用《公路路基设计规范》（JTGD30—2015）中所推荐的方法，即在填料中掺加粉煤灰或砂砾石，有效解决泥质岩软化、水化问题。同时进行封闭包盖处理，避免干湿循环对路堤浅层的破坏。

4.3 特殊路段处理

路基沉降一般包括路基本体沉降和地基沉降两部分。其中，路基本体沉降又包含路堤压密沉降和基床残余沉降两部分：路堤本体压密沉降通常由静力作用引发路基颗粒空隙减小而引起；基床残余沉降则由上覆荷载重复作用，使基床结构发生永久变形。

结合类似工程经验，基床浅层应使用难粉化材料施工，并增大路基刚度，分散行车荷载，减轻基床所承受的压力。对于粉碎特性较明显的软岩材料，还必须通过大型压实机械充分破碎和碾压。

5 结论

综上所述，在进行该高速公路高填方路基工后沉降预测时，对数法和泊松预测法路基工后沉降拟合结果与实测值较为接近，能较好反映高填方路基工后沉降规律，其拟合结果比FLAC3D模拟结果更加合理，准确度也更高。在采取该文所提出的防排水设计、特殊路段处理以及从边坡开挖开始到施工结束后运营期间均应展开高填方路基监测等措施后，路基段工后沉降得到有效抑制，为路基强度及稳定性提供了保证。