高速公路高填方路基边坡沉降变形规律研究.pdf

总660期2023年第30期（10月 下）0 引言随着国内公路建设里程的不断增加，高速公路跨越的地质地形环境也愈发复杂，高速公路建设中的高填方路基边坡数量越来越多，尤其是在山区公路建设中，几乎难以避免。高填方路基施工有助于克服局部复杂地形环境，减少公路周围生态的破坏，为项目建设质量提供保障。但是，高填方路基填筑周期长、工程量极大，且在后续运营过程中容易受到外界环境及行车荷载影响而产生塌陷、沉降等病害。为此，开展高边坡沉降监测及模拟计算能够获取更准确、科学的变形发展规律，继而为公路高填方路基边坡设计及公路维修养护提供理论指导。1 工程概况某高速公路是衔接两县市经济产业的重要交通渠道，设计全长55 km，设计车速120 km/h，双向四车道，设计主线跨越了大范围山区丘陵，填方路基数量多。其中有一处高填方路基，中心为填筑高度32 m的高路堤，右侧边坡高度约为24 m，左侧边坡高度约为71 m。路堤填筑材料主要采用路段周围大范围分布的风化素填土、土石混合材料、砌石。其中，下部砌石、中部土石混合材料的稳定性、强度较高，项目组对素填土进行室内工程试验，其物理性质如表1所示。路段地基横断面向300 m范围经勘察可知地层岩性由下至上分为以下两层，粉砂岩层：中风化、稍密、含水率高、厚度 30 m、重度 25 kN/m3、黏聚力 1 350 kPa、泊松比0.21；粉质黏土层：厚度10 m、低液限、含水量丰富、内部粉砂含量高、重度19.5 kN/m3、黏聚力29 kPa、内摩擦角22。该高填方路堤填筑坡度11.5，台阶式填筑形式，分9层填筑，由下至上分别选取砌石、土石混合材料（填料比5050）、风化素填土进行填筑。现场项目组为分析高填方路堤边坡施工沉降变化规律，进行现场沉降监测方案设计和有限元数值分析，以便为后续运营沉降监测及路基维护管理提供理论支撑。表1 素填土物理力学特性重度/（kN/m3）18.5天然含水率w（%）20最大干密度/（g/cm3）1.95液限（%）22.2塑限（%）13.8土颗粒密度/（g/cm3）2.7最优含水率（%）18.8渗透系数/（cm/s）1.710-72 有限元分析2.1 模型构建项目采用ANSYS有限元软件进行高填方路堤边坡施工阶段沉降分析，路堤采取8级台阶式分层填筑。填筑高度32 m，12层采用砌石材料，35层采用土石混合材料，68层采用素填土填筑施工。项目采用2维实体单元进行路段高填方路堤典型断面沉降分析，单位类型为8节点四边形PLANE82高阶单元，有限元模型单元划分由路堤顶部至坡脚逐渐变疏，单元数 24 120个，单元节点总数7 925个。土体模型采用摩尔-库伦破坏准则。有限元模型模拟材料参数如表2所示，模型构建示意图如图1所示。2.2 边界及加载有限元模型中取X左侧，Y向上方为正向，X为0、300处进行边界垂直和水平向限制。X向长度范围设定为300 m，以便充分弱化边界效应。高填方路堤总共需要8层填筑，填筑坡度11.5。模拟过程如下：首先需收稿日期：2023-02-15作者简介：孙海琢（1975），男，内蒙古通辽人，高级工程师，研究方向为公路建设与养护。高速公路高填方路基边坡沉降变形规律研究孙海琢（通辽经济技术开发区建设管理局，内蒙古 通辽 028000）摘要：为进一步了解高速公路高填方路基边坡沉降变形规律，研究依托具体工程，采用ANSYS软件对高填方路基边坡沉降变形发展变化规律进行模拟分析，并进行现场监测，获取以下结论：高填方路基的路肩处为最大沉降产生位置；计算模拟值比实际监测值大，但是两者沉降发展变化规律整体保持一致，计算结果也较为吻合实际发展状态，且处于规范允许范围，表明模拟计算方法具备良好的可执行性。关键词：高填方；路基边坡；沉降监测方案中图分类号：U416文献标识码：A50交通世界TRANSPOWORLD要有限元模型自重应力场求解，进行位移清零；其次分别进行18级荷载施加，各级材料填筑厚度则均为4 m，分别记录高边坡沉降变形发展变化值。表2 模型材料参数材料素填土土石混合材料砌石粉质黏土粉砂岩重度/（kN/m3）18.52124.819.525弹性模量/MPa56769636215内摩擦角/25.535382236黏聚力/kPa31.212.28.2291320泊松比0.240.220.210.250.213 高填方边坡监测方案路段处边坡沉降监测方案布置需要合理选取监测仪器，对施工阶段路堤进行分层沉降测定，继而进行有限元计算结果和实际监测数据的对比分析，以此评价沉降变化规律。3.1 设备选取路堤断面 K125+200 处沉降监测选取沉降管型号JTM-G8600B，PVC材质，管壁厚度5 mm，外径75 mm，每一节管长度2.5 m，不同沉降管之间采取接头衔接加长处理；监测沉降管需要进行钻孔安装，孔位深度需要达到地基表面以下位置；沉降管清洁安装后，需要在孔壁、沉降管之间进行砂料回填压实，以此促使磁环竖向自由移动，沉降磁环需要布置在沉降管上，布置间距4 m，固定环距沉降磁环1.5 m；沉降管依照次序进行严格组装，接头处需要采用土工布进行包裹密封；设备安装结束后采用水泥砂浆进行封孔，现场做好位置标记；沉降观测阶段需要采用钢尺进行数据读取、记录，且不同读数均需要二次复读以确保其准确性，最终读数选取两次读数的平均值。3.2 监测布置沉降管监测孔位布置在左右侧路堤路肩处，孔底深入地面以下，沉降环序号由上至下进行排列（磁环1磁环5）。对路堤分层填筑内部的沉降变化规律进行实测，沉降孔深度选取为1525 m，孔径90 mm，不同监测孔位布置信息如表3所示，沉降孔布置位置示意如图2所示。表3 沉降监测孔参数孔位12布置位置左侧路肩右侧路肩孔位深度/m2522沉降环个数54有效监测深度/m2120图2 沉降孔布置位置示意图4 结果评价4.1 沉降监测孔监测数据项目组进行沉降现场监测数据收集，1、2号监测孔不同磁环监测的沉降量随时间变化规律如图3所示。沉降监测历时8个月，监测记录数据表明，不同孔位磁环即便处在同一填筑高度也具备不同的沉降记录值，这表明沉降变形受到沉降孔位置影响较大；不同孔位沉降环沉降值随时间变化规律整体保持一致性，前期沉降发展速率变化较大，后期达到稳定状态；磁环沉降值随着磁环布置高程的增大而增大，其中高填方路堤填筑施工周期为84 d，在84 d位置处的磁环沉降发展速度产生明显变化，84 d以内的磁环沉降速度明显大于84 d之后，路堤填筑期间土体固结沉降及施工扰动造成的沉降变形速率明显增大；1、2号监测孔位的磁环1能够代表路堤顶部最大沉降值，工后沉降稳定后最大值分别为0.19 m、0.15 m。（a）1号孔（b）2号孔图3 磁环沉降量时间关系曲线图1 有限元模型构建示意图51总660期2023年第30期（10月 下）4.2 ANSYS模拟计算结果分析项目对该有限元模型进行分级加载，获取不同填筑阶段的相应孔位沉降变化值，计算结果如图4所示。（a）1号孔（b）2号孔图4 有限元计算各磁环分级加载沉降曲线由图4可知，有限元分析中分级填筑最大位移发生区域主要集中在填筑施工顶部；1、2级砌石填筑产生的位移较小，这主要归因于整体厚度偏小，且地表土层受到的竖向荷载几乎没有产生一定的压缩变形，38级填筑过程中，随着高度的增大，路堤竖向沉降变形呈现先增大后减小的发展趋势，沉降速率最大值主要出现在57级填筑过程中。填方土体重量提供竖向荷载，地基承受应力随着填筑层数的增多而增大，最大沉降值计算结果主要出现在不同孔位的磁环1。其中，1号监测孔计算最大沉降值为0.22 m，2号监测孔计算最大沉降值为 0.19 m；相较于监测方案获取的记录数据，有限元分析结果明显偏大，但是两者沉降发展变化规律整体保持一致，计算结果也较为吻合实际发展状态，模拟计算方法具有良好的可执行性。考虑数据对比的差异性，项目组认为具有以下几方面原因：该高填方路堤在实际填筑施工阶段，不同土层的填筑材料也会产生相应的固结沉降，伴随着填筑的进行而不断完成固结。后续填筑荷载的不断增大，会导致下层土层受到的竖向应力不断增加，促使其压缩量、密实度增大，导致实际路堤整体沉降量的缩小；项目采取有限元计算方法难以充分考虑施工过程中影响沉降的不确定因素，整体模拟过程较为理想化，土层在填筑荷载施加完成后处于完全固结状态，最终获取的计算数值会大于实际沉降值。此外，实际填筑施工中的填方材料参数（容重、弹性模量、级配等）都对其沉降速率及工后沉降值有较大影响，而模拟阶段构建的单元密度、单元类型、边界条件等也会产生沉降数据的偏差10。5 结束语山区高填方路基边坡稳定性分析是公路路基施工的关键内容，路基高边坡沉降变化规律的研究能够为后续公路运维提供数据支撑。研究结果表明，填方路基路肩1号点位沉降监测最大值为0.19 m，模拟沉降值为0.22 m；路肩2号点位沉降监测最大值为0.15 m，模拟值为0.19 m；监测值、模拟值随填筑工序变化规律结果保持一致；模拟值整体大于监测值，但处于规范允许范围。希望本文研究结果能够为同类工程提供参考。参考文献：1 张庆飞，吕改杰，冯宇凇，等.V型沟谷高填路基沉降变形特征及稳定性分析J.山西建筑，2021，47（22）：1-4，8.2 方晓楠.高填方边坡在软硬基底条件下变形规律及控制技术研究D.北京：北方工业大学，2022.3 王昭佩.高填方路基施工要点及沉降处理措施研究J.交通世界，2022（16）：125-127.4 王玮.黄土地区高填方路堤沉降变形特征J.甘肃科技，2022，38（8）：84-87.5 于秀丽.高填方路基应力应变监测分析J.山西交通科技，2021（5）：30-31，90.6 唐颖.高填方路基沉降预测及加固机理探究J.中国公路，2021（19）：92-94.7 周智青.基于变权重组合模型的高速公路路基沉降量预测分析J.西部交通科技，2022（8）：105-107，143.8 董立山，李文强，刘志胜.考虑黄土长期蠕变效应的路基沉降预测方法J.公路，2022，67（8）：1-7.9 王才进，史庆锋，刘松玉，等.基于CPTU测试的高速公路改扩建路基沉降预测方法研究J.地基处理，2022，4（4）：271-278.10 马贵红，吴仕林.高填路基施工沉降监测与变形控制技术J.云南水力发电，2021，37（10）：26-32.52