公路项目高填方路基段沉降变形的影响因素分析

马松

摘要 为了有效探究公路工程高填方路基沉降变形特征，确定高填方路基沉降变形影响因素，文章结合实际工程案例，采用ANSYS有限元模拟系统对填方高度、边坡坡度、填方材料、压实度等因素对路基变形影响水平实施模拟分析，通过实际检测数据对模擬结果进行验证，判定模拟分析的可行性。ANSYS有限元模拟结果显示：（1）高填方路基沉降变形随压实度增大而减小，随填方高度增加而增大；（2）路基填料容量越大、坡度越缓，其沉降变形越小。现场试验检测表明，检测结果与模拟结果偏差为5.95%，有效验证了模拟结果的准确性，充分表明采用该模拟系统对高填方路基沉降变形实施模拟分析具有较高的可行性。

关键词 公路工程；高填方路基；沉降变形；影响因素；控制措施

中图分类号 U416.1文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）09-0117-03

0 引言

高填方路基填筑过程中，随着填方高度的不断增加，其重力荷载逐渐增大，沉降变形不断累积，沉降过程较为复杂。长期以来，沉降变形始终是高填方路基施工质量控制难题。高填方路基沉降变形直接决定路基稳定性，极易引发路面开裂、坑槽等质量病害，严重威胁行车安全，增大道路维护成本。为此，该文结合实际工程案例，通过ANSYS有限元分析模型，详细分析了填方高度、边坡坡度、填方材料、压实度等因素对路基变形的影响，得到各种工况下路基沉降变形特征及基本规律，提出了科学有效的高填方路基沉降控制措施，对提高路基稳定性，保证公路运营安全及使用寿命具有重要的现实意义。

1 模拟分析原理

根据高填方路基施工实践，采用ANSYS有限元模拟系统对填方高度、边坡坡度、填方材料、压实度等因素对路基变形影响情况实施模拟分析，确定各种工况下路基沉降变形特征及基本规律。模拟结果显示：高填方路基沉降变形具有整体性和同步性。基于此，选取半幅道路进行模拟分析，并构建路基沉降有限元分析模型[1]。

通过ANSYS系统中的Plane42模块构建模型，并表示出四个节点，各节点设定x向和y向，利用平面模型对高填方路基沉降变形实施模拟，对路基力学性能进行探究，确定各种因素影响下路基沉降变形特征及基本规律。同时，设定了临界条件，路基位移方向集中于垂直方向，约束侧向位移，在基底位置布置三个自由度，对路基位移方向实施控制。该次模拟分析采用的路基填方材料沉降水平较大，地基沉降量水平较小，对路基分化网格，模拟分析时增大网格密度[2]。

2 公路工程高填方路基沉降变形影响因素

2.1 路基填筑高度对沉降变形的影响

根据某公路工程具体状况开展路基模拟，设定路基宽度为25 m，结合工程实际特征及边坡设定标准科学确定边坡坡度，当边坡高度小于8 m时，其坡度设置为1∶1.5；而当高度超过8 m时，应采用阶梯形设置，上台阶坡度设置为1∶1.75，下台阶坡度设置为1∶1.5。该工程路基填筑高度范围内上、下土层分别为黏土和基岩土，其厚度依次为20 cm、40 cm。各填土层压实度存在显著差异，其性能指标应满足现行《公路工程质量检验评定标准》相关规定[3]。

在对路基填筑高度超过2 m工况进行模拟时，其填方高度与沉降变形关系曲线如图1所示。

通过图1能够看出：①路基填筑高度越大，其总沉降量越大；②随着路基填筑高度的不断增加，其重力荷载逐渐增大，沉降变形不断累积，总沉降量总体呈现增大趋势，地基变形与路基沉降无直接关系；③根据现场实际检测结果实施模拟分析，得到路基填筑高度与总沉降量之间的关系：S=0.024h+0.135。

通过具体计算能够发现：因路基填筑高度增大导致的地基沉降变形量，在地基总体沉降量中占比高达70%。因此，在进行路基勘察设计阶段，应通过科学手段对地基实施加固处理，以有效增强地基强度，提高承载性能，并科学控制路基填筑高度，降低路基沉降变形水平[4]。

2.2 路基边坡坡度对沉降变形的影响

路基填筑高度及材料等相关因素均会在一定程度上影响边坡坡度。路基边坡设置的合理性与否直接决定路基强度、刚度、稳定性，对降低施工成本，保证施工安全具有重要作用。根据现行《公路工程路基设计技术规程》相关规定，并结合具体实践经验，设定边坡坡度为1∶1～1∶2，利用有限元分析模型，获得路基坡度与沉降变形关系曲线，具体如图2所示。

通过图2能够看出：①路基沉降变形随边坡坡度的降低逐渐减小，边坡坡度为1∶1、1∶2工况下，路基沉降量分别为0.246 m和0.231 m；②各路基坡度条件下，路基沉降变形差异较小；③根据实际计算数据可知，路基坡度与沉降量呈非线性关系，边坡坡度对沉降变形影响较小[5]。

2.3 路基填料对沉降变形的影响

路基填料类型对其压实度具有重要影响，各种填料压实度控制标准存在显著差异，该工程路基填筑施工时，应严格按照《公路工程路基施工技术规范》（JTG/T3610—2019）相关规定科学选取路基填料。通常状况下，高填方路基施工中常采用以下几种材料，其性能指标如表1所示。

通过表2、图3能够看出：①路基填料容重对路基沉降变形具有重要影响；②路基填料容重越大，其沉降变形越大。因此，为有效控制路基沉降变形水平，应选用重量较轻的填筑材料。实际施工中，采用粉煤灰代替黏性土，能显著降低路基重力作用，节约土地资源。同时，采用黏性土进行路基填筑施工，会对生态环境造成严重破坏，威胁生态平衡，而采用粉煤灰进行路基填筑，不仅能实现废料的循环利用，而且能有效降低环境污染、节约材料成本，具有显著的经济效益和环保效益，是最佳的填料选择[6]。

2.4 路基压实度对沉降变形的影响

压实度是决定路基承载力和稳定性的关键指标，高填方路基施工时应进行严格把控，以有效防止路基沉降变形[7]。该文选择低液限黏土进行研究，压实度值控制在90%～98%范围内，对各种压实度条件下的路基沉降变形情况实施分析，得出路基压实度与沉降变形曲线，具体如图4所示。

通过图4能够看出：①压实度越大，路基沉降量越小；根据实际测量结果得出压实度与沉降量关系为S=?0.002 8K+0.335 3；②路基压实度为90%和98%工况下，所对应的沉降量分别为0.088 m和0.067 mm，因此，增大路基压实度能有效控制路基沉降变形。

3 工程实践应用分析

结合某公路工程高填方路基实际情况，在现场随机选取5个部位，按照规范要求埋设应变计，对路基沉降变形情况实施实时监测，根据监测结果建立有限元模型，对路基沉降变形状况实施模拟，并比较实测值与模拟值关系，具体如表3所示。

通过表3能够看出：①监测深度为15 m时，实测值与模拟值偏差最大，高达5.95%；而当监测深度为3 m时，二者偏差最小为1.46%；②实测值略大于模拟值，但二者偏差均处于正常范围内，模拟结果准确性满足要求。

4 高填方路基沉降控制措施

（1）科學编制施工方案。高填方路基填筑施工前，应对施工现场进行全面勘察，根据勘察结果编制切实可行的施工方案，科学选择施工技术指标，全面提升路基填筑质量。

（2）加强基底处理。结合现场实际情况，采用科学手段对路基基底进行处理，以有效提升地基强度。处理完成后，应采用地基钎探方式进行检测，保证地基承载力满足规范及设计要求。

（3）严控路基材料。路基填筑材料对高填方路基施工质量具有重要影响，直接决定路基强度和稳定性，因此高填方路基填筑施工前应科学选择路基材料。

（4）路基压实控制。压实度直接决定路基承载性能，施工中应严加控制。根据工程具体状况，科学选择压实机械组合及施工工艺参数，并严格控制路基填料含水量，确保填料含水量控制在最佳含水量的±2%水平，以有效保证路基压实效果。

（5）路基沉降观测。为有效提升路基压实质量，应科学加强沉降观测，结合沉降观测结果，准确判定压实效果。

5 结论

综上所述，该文结合实际工程案例，采用ANSYS有限元模拟系统对填方高度、边坡坡度、填方材料、压实度等因素对路基变形影响情况实施模拟分析，其具体结论如下：

（1）随着路基填筑高度的不断增加，其重力荷载逐渐增大，沉降变形不断累积，总沉降量总体呈现增大趋势，地基变形与路基沉降无直接关系。

（2）路基沉降变形随边坡坡度的降低逐渐减小，路基坡度与沉降量呈非线性关系，边坡坡度对沉降变形影响较小。

（3）路基填料容重越大，其沉降变形越大。因此，为有效控制路基沉降变形水平，应选用重量较轻的填筑材料。

（4）压实度越大，路基沉降量越小；压实度由90%增大至98%时，其沉降变形降低23.8%，可见增大路基压实度能有效控制路基沉降变形。

（5）通过实际检测发现，实测值略大于模拟值，但二者偏差均处于正常范围内，充分表明采用该模拟系统对高填方路基沉降变形实施模拟分析具有较高的可行性。

参考文献

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[7] 郑明强， 高建平. 高填方路基沉降变形预测及控制标准分析[C]. 中国智慧工程研究会智能学习与创新研究工作委员会. 2020万知科学发展论坛论文集（智慧工程二）， 2020： 224-231.