高填方路基沉降影响因素及控制措施.pdf

2024 年第 1 期132中国高新科技道路交通|ROAD TRAFFIC高填方路基沉降影响因素及控制措施刘娅欣1贾玉21.青岛市交通科学研究院，山东 青岛 266102；2.青岛市交通工程建设和质量安全技术中心，山东 青岛 266034摘要：为了提高路基工程建设水平，总结了高填方路基的沉降计算方法，以某一级公路高填方路基为研究对象，利用有限元软件 ABAQUS 建立二维平面计算模型，分析路基填料压实度和填土高度对路基沉降的影响。同时，提出填料含水量控制、路基压实度控制、沉降动态监测等措施以降低高填方路基沉降。关键词：高填方路基；有限元；影响因素；沉降计算；控制措施文献标识码：A中图分类号：U213文章编号：2096-4137（2024）01-132-03DOI：10.13535/ki.10-1507/n.2024.01.39Factors influencing settlement of high fill roadbed and control measuresLIU Yaxin1,JIA Yu21.Qingdao Transportation Science Research Institute,Qingdao 266102,China;2.Qingdao Traffic Engineering Construction and Quality Safety Technology Center,Qingdao 266034,ChinaAbstract:In order to improve the construction level of subgrade engineering,the settlement calculation method of high fill subgrade is summarized.Taking a high fill subgrade of a first-class highway as the research object,a two-dimensional plane calculation model is established by using the finite element software ABAQUS to analyze the impact of the compactness and height of subgrade filler on the subgrade settlement.At the same time,measures such as controlling the moisture content of the filling material,controlling the compaction degree of the roadbed,and dynamically monitoring settlement have been proposed to reduce the settlement of high fill roadbed.Keywords:high fill roadbed;finite element analysis;influencing factors;settlement calculation;control measures随着经济的快速发展和城镇化的推进，各种道路工程的建设里程逐年增加。在山区丘陵区域，不可避免地会出现高填方路基。高填方路基填土高、断面大，在填土自重应力及各种附加应力作用下，容易产生过大沉降，引发路面裂缝、沉陷及边坡失稳等病害，严重的甚至会造成巨大的经济损失和人员伤亡。高填方路基的沉降由路堤变形和地基变形两部分组成，受路基填料、压实度等因素的影响较大。如何选择合理的沉降计算方法和沉降控制措施，是技术人员需解决的关键问题。1高填方路基沉降计算方法1.1路堤变形计算大量工程实践表明，高填方路堤的变形大致分为 3 个阶段：弹塑性变形阶段。高填方路堤填料经摊铺、分层碾压后体积减小，发生压缩变形。在填土高度不大时，呈弹性变形，填土高度与压缩量线性正相关，且路堤中间变形大，两侧变形量小。不均匀变形阶段。路堤侧向无约束，在填土荷载作用下路堤内部“应力集中”，容易出现剪切变形，导致路堤横向变形不均匀。蠕变结果。在应力不变的条件下，路堤填土的应变随时间不断增加。土体蠕变机理复杂，现行路基设计规范中一般不予考虑。要计算土体的蠕变变形，需建立蠕变本构模型，利用数值软件计算。1.2地基变形计算1.2.1规范法由公路路基设计规范（JTG D302015）可知，地基变形包括瞬时沉降Sd、主固结沉降Sc、次固结沉降Ss三部分，其中主固结沉降可用“分层总和法”沉降，见式（1）：（1）式中，Hi为第 i 层土厚度，m；e0i、e1i分别为第 i 层土中点自重应力、自重应力+附加应力所对应的孔隙比，无量纲。由上式可知，分层总和法假设地基土在发生竖向压缩，无侧向变形。这种算法在基底荷载分布面积小、压缩土层较薄的条件下才成立。此外，计算荷载采用基底中心点下的附加应力可能造成计算结果偏大。地基的瞬时沉降 Sd和次固结沉降 Ss变形机理复杂，计算理论不成熟。在实际项目中，一般将其考虑进沉降系数 ms中，见式（2）。主固结沉降和沉降系数 ms的乘积就是地基的总沉降。（2）式中，为路堤填料重度，kN/m3；H为路堤中心高度，m；为地基处理系数；V 为加载速率系数；Y 为地质因素系数。1.2.2数值元法随着计算机技术的进步，越来越多的公路项目建设中开始使用有限元法。相对于规范法，有限元法能考虑岩土体的应力历史、路基分层压实、降雨入渗等，具有计算成本低、计算效率高、可重复性好等优势，能在有限时间内快速计算出高填方路基在多个工况下的总沉降。通过有限元法计算高填方路基沉降的基本原理是将求解对象分解成多个微小单2024 年第 1 期133中国高新科技ROAD TRAFFIC|道路交通元，以将复杂模型简单化，然后将每个单元分别求解，并利用积分函数将计算结果进行累积。2高填方路基沉降影响因素分析2.1工程概况本文以某公路高边坡为研究对象，该公路建设等级为一级公路，设计速度 80km/h，路基标准横断面宽度为 25.5m，行车道和硬路肩横坡为 2.0%，土路肩横坡为 4.0%。此外，项目所处区域为温带大陆性季风气候，夏季高温多雨，冬季寒冷少雨，多年平均气温约 13.5，多年平均降雨量约869.6mm，且以短时强降雨为主，集中在 6 9 月。高填方路基沉降计算断面桩号取 K18+500，其最大填高28m，一级、二级和三级边坡坡率分别为 1 1.5、1 1.75、1 2.0，如图 1 所示。为了收缩坡脚，减小占地，路基右侧使用了衡重式挡土墙。此外，边坡左侧设置矩形排水沟，右侧无排水沟，结合现场地势地形排水。图1K18+500断面高填方路基示意图2.2计算模型建立本文选用大型通用有限元软件 ABAQUS 建立高填方路基模型，计算其在不同工况下的总沉降。ABAQUS 软件计算路基沉降的基本步骤为：建立几何模型定义材料属性施加荷载和边界条件网格划分计算收敛后，输出计算结果。2.2.1本构模型根据相关研究成果，路堤填土及地基土都是弹塑性材料，在计算时可选 Drucker-Pragcr 模型（以下简称“D-P 模型”）。D-P 模型是将不忽略中间主应力影响的 Coulomb 屈服准则和不考虑静水压力的 Miscs 准则相结合，本质上是一种广义的Mises 模型，其屈服方程可表达为：（3）式中，F为屈服力，kN；、K、J为土体计算参数，无量纲；I 为土体最大主应力、中间主应力和最小主应力之和。2.2.2参数选择根据高填方路基的施工图勘察资料，地基土从上到下分别为粉质黏土、粉砂、砂土，填料为砂砾土（最大粒径和CBR 均满足规范要求），不同土体的计算参数取值见表 1。表1高填方路基计算参数土体类型重度（kN/m3）粘聚力（kPa）内摩擦角（）泊松比砂砾土19.05300.30粉质黏土18.020180.20粉砂18.522260.25砂土20.025300.252.2.3边界条件高填方路基的底部边界进行完全约束，X、Y、Z 方向均不发生位移；路基的左侧和右侧边界进行水平约束，限制其在 X 方向的变形；路基顶面和边坡坡面设置为自由边界，可以在三维空间内任意变形。2.2.4网格划分一般情况下，模型网格尺寸越小，网格数量越多，路基沉降计算结果越准确，但计算速度也降低，模型也更不容易收敛。综合考虑模型的计算精度和准确性，将路堤填土及地面以下 10m 范围内的土体网格进行适当加密，网格划分采用正六面体单元，网格尺寸取0.5m，其他部分网格尺寸取1.5m。最终，该高填方路基模型共划分了1139个单元、1228个节点。2.3沉降计算结果分析2.3.1压实度对路基沉降的影响根据土力学可知，高填方路基的最大沉降出现在基底中心线上。在其他参数不变的条件下，利用 ABAQUS 软件计算了压实度分别为 93%、94%、95%、96%、97%、98%时高填方路基的最大沉降，计算结果如图 2 所示。图2不同压实度下路基最大沉降图 2 计算结果表明：随着路基压实度的增加，高填方路基的总沉降不断减小，但减小速率并不固定。压实度从 93%增加至98%，路基总沉降分别减少了1.2mm、1.0mm、0.6mm、2024 年第 1 期134中国高新科技道路交通|ROAD TRAFFIC0.3mm、0.2mm。当路基压实度小于 96%时，高填方路基沉降降低速度快；当路基压实度大于等于 96%时，高填方路基沉降变化不明显。因此，在进行高填方设计时，不可盲目增加路基压实度以降低路基沉降。当压实度超过 96%后，其对路基沉降的改善效果不明显。2.3.2填土高度对路基沉降的影响高填方路基需要分层填筑，为了模拟填土高度对路基沉降的影响，利用 ABAQUS 软件中的“生死单元”命令模拟填土高度分别为 5m、10m、15m、20m、25m、30m 时的路基沉降，见图 3。同时，利用线性函数对填土高度与路基沉降之间的关系进行拟合，拟合方程为 y=6.18x+5.83（y 是路基沉降，x 是路基填土高度），相关系数接近 1，满足工程 需求。y=a+bx图3不同填土高度下路基最大沉降由图 3 可知，高填方路基沉降随路基填土高度的增加而增加，且两者之间呈线性正相关关系。路基填土高度从 5m增加至 30m，路基沉降分别增加了 1.1cm、1.0cm、1.1cm、0.9cm、0.9cm。这说明填土高度每增加 5m，高填方路基沉降平均增加1.0cm。主要原因在于：填土高度越大，自重力越大，其在地基土中产生的附加应力也越大。3高填方路基沉降控制措施3.1路基填料含水量控制路基填料含水量较低时，水分以强结合水的形式存在，会限制土颗粒间的相互移动；反之，水分多以自由水形式存在，会削减路基压实能量。施工时，应高填方路基填料含水量控制在土体最佳含水量附近，误差不超过 2%。如果路基填料含水量远小于最佳含水量，可通过补水提高填料含水率；反之，要将路基填料进行翻挖晾晒或掺入水泥、石灰等无机结合料。3.2路基压实度控制大量工程实践表明，应根据路基填料类型选择高填方路基的压实机械。对于黏土填料，可用轮胎式压路机或凸块压路机；对于砂土填料，宜用静压式压路机；对于碎石、砂砾土等填料，宜用振动压路机。根据公路路基施工技术规范（JTG/T 36102019），高填方路基在碾压时应遵循“三阶段、四区段、八流程”的作业选择。在条件允许时，可选择“分层补夯”措施控制高填方路基的工后沉降，即路基每填筑 2 4m 补夯一次。此外，如果高填方路基段落较长，补夯时要开挖台阶。3.3工后沉降监测高填方路基填筑高度大，变形机理复杂，在施工时要对路堤顶沉降、地表位移等进行动态监测。如果发现路基有失稳趋势，应及时查明原因，并采取相应的处治方案。4结语本文研究了高填方路基的沉降计算方法，并以某公路高边坡为研究对象，探讨了路基压实度和填土高度对路基沉降的影响，提出了路基沉降控制措施，得出以下结论：高填方路基沉降由路堤变形和地基土变形两部分组成，可用规范法或有限元法计算；高填方路基沉降随着路基压实度的增加而减小，随着填土高度的增加而增大；为了减小高填方路基工后沉降，要严格控制路基填料含水量和压实度，并在施工期对路基变形进行动态监测。作者简介：刘娅欣（1986-），女，山东青岛人，青岛市交通科学研究院交通工程高级工程师，研究方向：路桥工程。参考文献1 牛小玲高填方路基沉降变形影响因素模拟分析J北方交通，2023（1）：56-592 徐文中山区公路高填方路基不均匀沉降及防治措施分析 J交通世界，2022（35）：109-1113 安征，李玉斌湿陷性黄土高填方强夯填筑路基沉降计算及边坡稳定性分析 J建筑安全，2022，37（10）：20-254 孙合朋，郑伟高填方路基沉降量预测综述及数值模拟 J中国科技信息，2021（21）：87-885 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）：92-946 武魁高填方公路路基沉降以及防治措施探究 J工程建设与设计，2021（17）：148-150（责任编辑：肖央然）