路堤填土荷载下斜坡软弱土地基沉降变形特性试验分析

山区路基工程施工中常遇斜坡软弱土地基，在上部路堤填土荷载作用下，其变形十分复杂。针对某高填方路堤斜坡软弱土地基现场测试工点，通过布设地基竖向沉降及下坡一侧坡脚附近地基深层水平变形传感装置，开展了随路堤填筑过程的地基长期沉降变形观测及工程安全监控。试验表明：（1）斜坡软弱土地基竖向沉降与水平变形在路堤填筑施工期内发展较快，填土荷载施加完成后的放置期则逐渐减缓并趋于稳定；（2）受路堤填土下滑力影响，地基最大水平侧移发生在下坡一侧，地表处较大，沿深度逐步减小；（3）斜坡软弱土地基沉降变形时间历程曲线具有良好的双曲线函数变化趋势，预测工后20年沉降约为36.1 mm，为路堤高度的2.78‰；（4）斜坡软弱土地基的水平变形明显大于竖向沉降，速率也较大，保证工程安全应严格控制下坡一侧路堤坡脚附近的水平变形不超过规定阈值。

路基工程； 高路堤填筑； 斜坡软弱土地基； 竖向沉降； 水平变形

U416.1+2 A

［定稿日期］2022-06-15

［作者简介］苏敬强（1970—），男，高级工程师，主要从事铁路工程建设管理工作。

在山岭丘陵地区的山间沟谷地带，由地表水流携带岩石风化物和土壤有机质沉积形成的软弱土较为普遍。这类软弱土分布不均匀且有机质含量较高［1］，通常呈现为地表或底部倾斜，因此被统称为斜坡软弱土。铁路或公路工程采用路基填方形式通过山间沟谷地带时，经常会遇到斜坡软弱土路基问题。因此，研究路堤自重作用下的斜坡软弱土地基工程力学特性，尤其是竖向沉降和水平变形特性，对山区路基工程的安全建造具有重要指导意义。

魏永幸［2］指出，路堤荷载在水平软基中产生的附加应力集中在中部附近，而在斜坡软基中则集中于下坡坡脚附近；在路堤填土的重力荷载基本相同条件下，斜坡软基中附加应力出现非对称分布规律，路堤下坡一侧存在压力集中现象，高于水平软基，易引发侧滑失稳。林育梁等［3］认为，地面存在横坡，路堤填土荷载偏心作用明显，且偏向下坡一侧，增加了路堤结构发生失稳的风险。目前，关于斜坡软弱土地基在路堤填土荷载作用下的竖向沉降和水平位移变化规律及引发的侧滑稳定性问题的关注需进一步加强，尤其开展现场长期测试并进行系统分析对工程安全意义重大。

为此，结合某典型斜坡软弱土地基高填方路基工程建造试验工点，根据工程地质和环境条件、施工工艺及施组计划，结合工程填筑过程埋设地基竖向沉降和水平变形观测传感装置，进行施工填筑荷载与地基沉降变形随时间的变化观测，并对测试数据进行了分析，讨论了斜坡软土地基竖向沉降、水平变形在路堤填筑施工期与施工完成后的变化规律及空间分布特征，基于双曲线函数法预测了斜坡软土地基的工后沉降，分析了下坡一侧路堤坡脚附近测斜管及边桩水平变形与路堤填方工程施工安全的关系。研究成果对提高我国山区铁路和公路工程斜坡软土路基建造技术具有指导意义。

1 测试方案及设计

1.1 工点概况

测试工点区段的线路以路堤形式通过山间沟谷地带的斜坡软弱土地基。地表往下6.0～9.0 m区域内为低液限黏土，呈软塑状，物理力学指标见表1。下伏力学性质良好、承载力高的强风化泥岩夹砂岩。典型横断面的路基中心填高为13.0 m，路基顶面宽度为24.5 m，在边坡路肩以下8.0 m处设置2.0 m宽台阶，台阶之上边坡坡度1∶1.5，之下为1∶1.75，斜坡软弱土地基进行清表后设置碎石垫层厚0.5 m，如图1所示。

1.2 测试内容及方法

1.2.1 地基竖向沉降

采用钻孔埋设单点沉降计量测斜坡软弱土地基在路堤作用下的竖向沉降。具体布设于路基面中心及两侧路肩的正下方，孔底深入地基的基岩中不动层，孔顶位于路堤的基底，通过沉降计读数变化反映地表相对于基岩的下沉量。

单点沉降计的埋设流程为：采用地质钻钻孔进入基岩层1.0 m—安装并固定单点沉降计—用中粗砂填满孔中空隙—将导线牵至断面坡脚以外并集中保护—在填筑路堤之前采集初始值。

1.2.2 地基水平变形

在软基下坡一侧路堤坡脚处钻孔安装铝合金测斜管，用以测试路堤坡脚处地基不同深度处的水平变形。

测斜管的埋设流程为：采用地質钻钻孔进入基岩层4.0 m—置入测斜管—用水泥浆充填测斜管与钻孔孔壁间的空隙—在测斜管管口处砌筑保护坑—在填筑路堤之前采集初始值（图1）。

1.3 观测频次及传感器埋设

斜坡软土地基上进行高填方路堤施工存在较大侧滑失稳风险，路基填筑期及工后的变形观测频率在符合施工技术规程的基础上，还应满足表2的要求。

路堤底部的垫层填筑完成，且填筑至距地表约1.0 m时，开始按图1所示位置钻孔埋设3个单点沉降计和1根测斜管，孔底深入下卧强风化泥岩夹砂岩层，每孔长约12.5 m。埋设完成后继续填筑路堤。单点沉降计安装过程如图2所示。

2 测试数据及分析

不同时刻的路堤填筑高度、路基面正下方地基沉降及下坡坡脚处地表水平位移等观测值如表3所示。图3所示为路堤填土高度-地基竖向沉降-时间关系曲线，图4所示为下坡一侧路堤坡脚附近测斜管水平变形随路堤填土高度及时间沿地基深度变化曲线，图5所示为路堤填筑高度-下坡一侧路堤坡脚附近地表水平位移-时间关系曲线。需要说明的是，上述图表中的地基沉降值均为两侧路肩及路基中心下方3处地表沉降测试数据的均值。

由图3可知，在路堤填筑期（0～174 d）内，路堤高度逐渐增加至12.0 m，斜坡软基的沉降较快发展，约0.50 mm/d，沉降值快速增加；在路堤填筑过程的放置期（174～279 d）内，地基沉降增长趋缓，速率约为0.15 mm/d；路堤填筑完成后的观测期（279～480 d）内，沉降增速进一步降低，速率约为0.12 mm/d。测试结果表明，尽管在较高路堤荷载作用下的斜坡软土地基沉降初期发展相对较快，但在填筑完成后则趋于稳定。路堤填筑施工完成后斜坡软弱土地基沉降随时间变化符合双曲线函数关系，采用路堤填筑完成后观测期（279～480 d）数据进行预测，得到斜坡软弱土地基工后20年将发生36.1 mm沉降，工后总沉降为36.7 mm，约为13 m路堤高度的2.77‰～2.82‰，且满足路基工后沉降的控制要求［4-5］。

由图4可知，在路堤自重作用下的斜坡软基水平变形基本集中在低液限黏土层范围内，地基浅层水平变形较大，下卧强风化泥岩夹砂岩基本没有位移，沿地基深度增加呈逐渐衰减趋势。测试期内地表最大水平变形值约为202 mm，明显大于同时期地基竖向沉降121 mm，是后者的1.67倍。这一现象说明，在斜坡软土地基上填筑路堤易发生以水平侧滑为主导的失稳破坏，水平变形监测宜以下坡坡脚处的地表为主。

由图5可知，在路堤填筑较快的时期（0～174 d），路堤高度由0填筑至12.0 m，斜坡软弱土地基下坡一侧路堤坡脚，通过测斜管观测数据的地表水平变形随填高增长较快，平均速率约为0.80 mm/d，大于相同时期的地基竖向沉降速率，是后者平均值0.50 mm/d的1.6倍；路堤填筑完成后期（279～480 d），地基表面水平变形增速趋缓，速率降至约0.31 mm/d。据此可以认为，斜坡软基的水平变形已趋于稳定。

3 结论

选择典型山区斜坡软弱土地基高填方路基试验工点，系统开展了地基竖向沉降与水平变形随路堤填土施工过程的长期测试，重点讨论了斜坡软弱土地基沉降变形的时空变化规律，得到几点基本结论：

（1）路堤填筑施工期内，斜坡软基的竖向沉降以0.50 mm/d的速率快速增加；放置期内，增速放缓至0.15 mm/d；工后进一步降低至0.12 mm/d。

（2）双曲线预测法能够较好的描述斜坡软基的沉降发展历程，得到的工点工后沉降预测值为36.7 mm，满足路基工后沉降的规范要求。

（3）斜坡软弱土地基在路堤下滑荷载作用下的水平变形明显大于竖向沉降，变形速率也较大，分别可达后者的1.67和1.6倍，且主要发生在地基浅层。为保证路基建造安全，应严格控制下坡一侧路堤坡脚附近地表水平变形。

参考文献

［1］ 魏永幸.内昆铁路李子沟斜坡软土特性及路基工程对策［J］.地质灾害与环境保护，2000，11（2）：104-106.

［2］ 魏永幸.松软倾斜地基填方工程安全性评价方法［J］.地质灾害与环境保护，2001，12（2）：73-79.

［3］ 林育梁，叶朝良.路堤軟土地基变形性状模型试验研究［J］.公路，2002（12）：35-39.

［4］ 中铁第一勘察设计院集团有限公司. 铁路路基设计规范： TB 10001-2016［S］.北京：中国铁道出版社，2017.

［5］ 中交第二公路勘察设计研究院有限公司. 公路路基设计规范： JTG D30-2015［S］.北京：人民交通出版社，2015.