山区高填方路基稳定性监测分析与预测

■胡艳琼 康 慧 李鸿洁

（江西东通交通科技股份有限公司陕西分公司，咸阳 712000）

随着我国公路建设的快速发展，高填方路基日渐普及，然而这种类型的路基在运营过程中容易出现大量变形[1]问题，尤其是沉陷缺陷[2]，对公共安全和交通效率造成严重影响。 因此，研究高填方路基变形原因、解决方案以及提出能预测同类高填方路基变形的数值仿真模型具有重要意义。

近年来，许多学者对高填方路基稳定性问题进行了深入研究。 温雪芬[3]通过对山区公路进行全寿命周期内路基稳定性动态评价并进行风险分级；刘姗[4]分析了高填方路堤的沉降规律和失稳因素，在此基础上进行模型试验，为高填方路堤沉降预测提供依据；张亚彩[5]针对高填方路基的开裂沉陷原因进行分析，为同类工程的破坏处置提供参考；牛小玲[6]运用ANSYS 有限元软件建立高填方路基模型，通过数值模拟结果与实测结果进行对比分析，认为模拟计算准确率较高，可用于沉降变形分析；刘建超[7]围绕不同填筑高度和土质条件，通过离心模型分析、回归分析探究其沉降规律和稳定性；武魁[8]依托实际工程项目， 采用ANSYS 有限元软件建立计算模型， 研究填土高度等对路基最大沉降的影响；赵玉国等[9]通过对高填方路堤常见病害机理的分析，结合工程实践经验进行综合论述，总结一些可行的治理措施，为今后类似工程提供参考依据；蔡云鸥[10]从勘察设计和施工方面分析沉降原因，依托实际工程，利用FLAC3D 有限元软件建立模型分析沉降变化规律。 国内外已有很多关于高填方路基的变形特性及其原因、预测模型、治理措施等方面的研究成果，但在以下几个方面尚存在不足：一方面，应用现有方法建立数值仿真计算模型以预测同类高填方路基变形情况仍具有挑战性，如何将现场试验数据与前人经验相结合，进一步优化设计这些模型需要深入研究；另一方面，由于我国跨地区高速公路兴修项目数量众多，迫切需要找到适应各种可能影响因素（如地质条件、交通运输环境等）下可行的解决方案。

为此，本研究依托某绕城公路工程实例，针对高填方路基出现的变形问题进行分析和探讨。 通过综合运用理论分析、 现场试验与数值模拟方法，探讨高填方路基变形原因及解决方案，并结合仿真结果与实测数据建立一种适应同类高填方路基变形预测的数值仿真模型。

1 工程概况

某绕城公路为双向四车道一级公路，设计行车速度为60 km/h，整体式路基宽18 m，分离式路基宽9.5 m。 通过获取地质信息、地质图、物理勘探等综合调查得到地质信息，线路区主要覆盖有粉质黏土、灰岩，无大的地质构造，无大的断裂通过，地表水不发育，主要为大气中的降水集中释放产生的地表径流，从高处落到低地，其自然释放很顺畅，几乎不会对道路施工造成影响，但下大雨时地表径流会对路基路面造成破坏性影响，应采取截流、排水措施。 项目中存在多段高填方路基，本研究选取K3+027段高填方路基进行分析，其设计断面如图1 所示。

图1 K3+027 段高填方路基设计断面图

1.1 高填方路基特性

1.1.1 高填方路基的界定

高路基和低路基是相对的概念，目前相关规范并未给出统一的判断标准。 高填方路基也被称为高路堤，通常指那些高度显著超过原地面、土石方工程量较大、占地广泛、施工难度较高且边坡可能存在稳定性问题的路基。

1.1.2 高填方路基的特点

高填方路基是一种由填料构成的路基类型，填方高度通常超过6 m，并需要大量填方土。 然而，在我国现行的公路规范中，并没有给出对高填方路基明确严格的定义。 高填方路基有一些显著特点，如因填筑高度的增加，使得路基容易失稳，需要进行稳定性分析以保证安全使用；高填方路基的建设需用到很多填料且占地大，增加了重量，可能导致路基沉降，因此施工要求较高，需要进行多次压实处理来控制沉降情况；由于高嵌入、大面积等特点，高填方路基容易在作业后发生沉降和差分沉降问题，且在未来几十年内可能继续下沉。

1.1.3 沉降的影响因素和主要机理

高填方路基结构中沉降受到许多因素的影响，主要包括以下几个方面：（1）路基结构，作为影响高填方路基沉降的重要因素之一，路基结构的设计和施工质量对其稳定性和沉降变形具有显著影响；（2）填筑材料，填筑材料的种类、粒径分布以及物理力学特性等因素都会对路基沉降产生不同程度的影响；（3）地基土壤，地基土壤的物理力学特性，如压缩性和抗剪强度等，也会对高填方路基的沉降起到关键影响；（4）环境因素，气候与水文环境等因素亦可能导致高填方路基的沉降问题，例如，气温波动会引发路基材料的热胀冷缩进而影响沉降，而降雨则会使路基材料吸水膨胀从而影响其稳定性。

高填方路基沉降的主要机理可以归纳为2 个方面：填料压缩与孔隙水压缩。 填料压缩指在承受路面荷载时， 填筑材料会发生弹性和塑性变形，导致其体积减小并产生沉降。 孔隙水压缩是指填筑材料中的孔隙水在承受荷载作用时发生压缩变形，引起体积减小并造成沉降。

1.1.4 主要病害问题

了解高填方病害问题对于保证荷载车辆的正常行驶至关重要，主要包括以下几种：路基裂缝、路基整体下沉以及路基边坡失稳。 路基裂缝可分为横向、纵向和网状裂缝，其中横缝可能由积水导致，纵向裂缝与土性能有关，受雨水浸润影响，造成强度降低，而网状裂缝多因含水量及施工原因所致。 路基下沉是指垂直方向上产生塌陷现象，其原因可能包括设计不满足实际需求、工程地质条件差、填料质量低劣或常年积水等。 至于路基边坡失稳，主要表现为道路斜坡坍塌现象，大多受到降雨侵蚀和地震等自然因素影响， 可按照破坏程度划分为剥离、滑落、坍落3 类。 综合以上病害原因，针对相应病害采取有效治理方法，确保车辆安全通行。

2 沉降观测方法与数据处理

2.1 观测方法

本次监测采用一种较为可靠和准确的方法，该方法通过在路基断面上设置一系列的沉管观测点，并在不同时间对它们进行高程测量，可以准确地获取路基不同位置的沉降值，便于跟踪和记录路基的变形情况，如图2 所示，从而有效地评估路基的稳定性和质量。

图2 地基沉降观测示意图

为了详细观察高填方路基的沉降情况，使用成层沉降管法进行监测，在选定区间中央钻孔，并在其中铺设成层沉降管磁环，监测地下变形情况，如图3 所示。 当地层有变形时，铺设的成层沉降管磁环就会发生相应的变化。 在成层沉降管中设有成层沉降管探针，该探针包括线圈和蜂鸣器。 当管内的磁环与探针接触时，线圈会切断磁线，从而在线圈中产生电流。 电流的产生使得成层沉降管蜂鸣器发出声响，表明管内的磁环位置发生了变化。 这样，通过连续监测不同时期管内磁环的位置，可以准确掌握路基沉降的变化趋势和速率。 需要注意的是，在进行成层沉降管法监测时，需要选择合适的成层沉降管磁环和探针等仪器设备，并严格按照相关规范和标准操作。 此外，对于长期监测的情况，需要定期对仪器设备进行维护和检修，以确保监测数据的准确性和可靠性。

图3 分层沉降观测示意图

2.2 数据处理

本次对K3+027 段高填方路基进行现场监测，如图4 所示，主要观测了坡脚、路肩、路中位置，将沉降数据进行处理， 利用Origin 软件绘制点线图，包括地基沉降随时间的变化曲线图和地基沉降随填土高度的变化曲线图，如图5 所示。

图4 K3+027 段高填方路基现场监测示意图

图5 地基沉降变化曲线图

从图5 的沉降观测结果可以看出， 施工开始后，因外部附加负荷而开始发生沉降，填方完成后下沉速率有所减缓；随着填土高度的增大，沉降量也随之增加，当施工完成后，路基仍有较大沉降量，约300 d 后趋于缓和。

3 数值分析

为了计算和分析高填方路基的沉降变形情况，需要建立相应的仿真模型并进行模拟计算。 包括以下步骤：（1）对高填方路基的结构和材料进行分析和建模，以建立真实可靠的有限元模型，通过对路基的几何形态、地基土层特性、路基上部结构及其受力特点等方面进行综合考虑，建立符合实际的有限元模型；（2）确定高填方路基的荷载条件，路面荷载是路基沉降变形的主要原因之一，因此需要根据实际情况确定路基的荷载条件， 如车辆荷载、交通流量、温度等因素，以便在模拟计算中得到相应的结果；（3）利用有限元软件进行高填方路基的模拟计算，并得到路基的沉降变形情况，在计算过程中，选择适当的计算方法和参数，保证计算结果的准确性和可靠性；（4）根据模拟计算的结果进行分析和预测，得出高填方路基的沉降规律和预测结果。

3.1 模型的建立

针对前文提到的实际工程概况，采用有限元方法建立数值模拟分析模型，依据地勘报告并参考相关文献，高填方路基段土层参数以及填筑材料参数如表1 所示。

表1 计算材料参数

模型施工步骤包括初始地应力平衡、第一层施工并施加施工荷载、 第二层施工并施加施工荷载、第三层施工并施加施工荷载、第四层施工并施加施工荷载、第五层施工疲劳并施加施工荷载，同时将施工时间与实际施工时间相匹配，具体的模型及网格划分如图6 所示。

图6 数值模型

3.2 结果分析

经过模拟计算， 结果显示高填方路基的累计沉降量随填筑高度的增加而增加，第一层至第五层路基的沉降量与监测结果较为接近；由于填筑高度的增加，沉降量与监测数据的相关性逐渐减小，但仍高于80%，如图7 所示。 需要进一步研究填筑高度与沉降量的相关性，以提高路基设计和施工的可靠性和准确性。 通过对实际工程进行有限元模拟计算，得出了高填方路基的沉降变形情况，验证了基于有限元模拟的高填方路基沉降预测方法的可行性。

图7 模型计算数值与实际监测数值对比分析图

4 结论

本研究阐述了高填方路基沉降变形问题，分析了主要的沉降因素和规律，同时通过数值模拟计算和现场实测验证，得出以下结论：（1）高填方路基沉降主要受到多种因素的影响， 其中包括路基结构、填料材料、地基土壤和环境因素等，其沉降机理主要由填料压缩和孔隙水压缩引起；（2）对高填方路基稳定性进行分析，发现从开始施工填筑时地基沉降与变形即受到外界荷载作用而发生变形，在路基建设完成后，地基沉降的速率逐渐平缓；（3）利用有限元模拟的方法可以准确预测高填方路基的沉降变形情况，并具有较高的可靠性和实用性。