山区高填方路堤沉降规律研究

刘忠祥

(江西东通交通科技股份有限公司，江西 南昌 330013)

0 引 言

公路路基是整个道路结构的基础，路基的稳定与沉降控制是保证汽车安全、快速和运行舒适的关键。尤其对于高填方路堤，在自重作用下，高填方路堤往往会产生较大的竖向位移，包括原地基土在路堤荷载作用下产生的竖向位移和路堤自重引起的土体本身的压缩与固结，这些竖向位移往往需要较长的沉降时间才能完成。因此，对于高填方路堤，不仅要求其在施工过程中的安稳，还要保证项目竣工后不会产生过大的沉降和不均匀沉降，以免造成路面下陷及不均匀沉降等一些工程问题。近年来，土工格栅以其优异的加固效果在提升高填方路堤稳定性的工程中被广泛使用。

1 工程概况

318国道利川绕城段项目(K0+000～ZK6+906，K0+000～YK6+886)，线路总长6.886 km，因地形及选线原因，不可避免出现高填方路段。线路区在大地构造上位于新华夏系第三隆起带和第三系带之接合部位，线路区无大的地质构造，该路基段附近无断裂通过。高填路堤线路区属构造侵蚀溶蚀低中山区，场区上覆盖有：(1)粉质黏土(Qhal+l)：黄褐色，可塑为主，局部为硬塑；(2)灰岩(Tlj)：灰色，微晶结构，中厚层状构造，节理裂隙较发育，岩芯较破碎，多呈碎块状，一般块径为3～8 cm，最大为10 cm。路基段位于一岩溶洼地中央，地表基岩零星出露，地表植被多为杂草和灌木，采用挖除覆盖层，回填块石、碎石进行加固处理。项目中各段高填路基段填筑高度大致相当，本文选取K4+540高填方路堤断面进行研究。路堤填筑共有四层，各层高度从上至下依次为8 m、8 m、8 m和4 m，且除第一层路堤坡率为1∶1.5外，其余各层坡率均为1∶1.75，在上路床顶部、下路床顶部和底部分别铺设双向土工格栅以控制路面不均匀沉降。

2 模型及计算参数

318国道利川绕城段K4+540断面是本项目典型的高填方路堤断面，大部分高填方路堤断面与此断面相似，因此本文参考此高填方路堤断面设计图，使用Hypermesh建立高填方路堤二维模型，并导入大型有限元分析软件Abaqus建立高填方路堤二维有限元模型，通过有限元软件模拟高填方路堤的填筑施工过程，研究路堤整体的沉降规律和表面的不均匀沉降。

模型中地基土共两层，分别为粉质黏土和灰岩，厚度分别为15 m和25 m。通过查阅工程地质资料，在有限元分析模型中粉质黏土采用Clay Plasticity模型，模型参数如表1所示；灰岩采用Drucker-Prager(D-P)弹塑性模型，其材料参数如表2、3所示。整个路堤共分四层填筑，各层从上到下依次高4 m、8 m、8 m和8 m，除最上层坡率为1∶1.5外，其余三层坡率均为1∶1.75，路堤材料采用Drucker-Prager(D-P)弹塑性模型，材料参数如表2、3所示。路面结构材料共有5层，各层厚度及材料属性参数如表4所示。地下水在天然地基以下5 m处，模型中考虑地下水对路堤沉降的影响，分析高填方路堤分层填筑时在其填料自重应力下高填方路堤所产生的沉降及表面的不均匀沉降规律。

表1 Clay plasticity(粉质黏土)模型参数

表2 Drucker-Prager(灰岩、路堤填料)模型参数

表3 Drucker-Prager模型的硬化参数

表4 路面结构参数

3 结果分析

依据工程实际施工情况，本项目因挖方地段较多，因此路堤填筑采用土石混合材料，为使填料级配良好保证填料得到较好的压实效果，在填石的缝隙内灌入石渣、石屑、粗砂等使孔隙填满，并敲掉尖角部分，保持顶面适当平整。路堤填筑时间不得小于6个月，施工时应匀速填筑，填筑竣工后应至少预压6个月后方可进行路面结构的铺筑。同时，为减少路面沉降差异，在高填方路堤上路床顶部、下路床顶部和底部分别铺设双向土工格栅，土工格栅采用TPG50-50凸结点双向(塑料)加筋格网，其屈服伸长率≤10%，极限结点剥离力>500 N。在铺完土工格栅后，应及时(48 h内)填筑填料，且每层填筑遵循“先两边后中部”的原则对称进行，并保证路面的平整度。高填方路堤的填筑顺序及填筑时间如图1所示。

依据图1所示的高填方路堤加载历程曲线，首先进行天然地基的地应力平衡，然后分层填筑路堤。这是由于所构建的模型尺寸，大多与工程实际一致，其现在的样子是经过长时间变形后的形态，无从知道多年前未发生变形之前的形态。结构内部由于多年的自重应力作用，内力抵抗自身的重力作用而达到平衡状态，因此在路堤填筑之前，首先要进行地应力的平衡。一般来说，当模型在重力作用下变形达到10～10数量级可认为达到了地应力平衡状态。经地应力平衡后地基变形达到了10数量级，平衡效果很好。然后进行各层路堤的分层填筑，在Abaqus有限元分析软件中采用生死单元进行模拟，依据工程实际填筑高度和填筑时间间隔，各层之中每填筑1 m高度间隔10 d，路堤每填筑一层间隔20 d时间。

图1 高填方路堤填筑加载历程曲线

可以看出高填方路堤沉降值随时间的增大而逐渐增大，其最大沉降部分位于填筑路堤的中下部。这是由于高填方路堤填料重量大，在其自重荷载的作用下，天然地基受到外部荷载作用，进一步发生塑性变形而引起的。

图2 道路表面中心点沉降

图3 道路表面沉降

工程实际施工中，为保证路面施工质量、保障道路行车安全，在路堤上部结构采用了3层土工格栅进行加筋。为进一步研究土工格栅对高填方路堤沉降控制的作用，本文做了对比模型，即不采用土工格栅加固路基。采用Origin对数据进行处理并绘制图形。图2为路面竣工完成后路面表面中心点10年内的沉降对比，可以看出，两类模型的沉降规律基本一致，即随着时间的增加，路堤填料从弹性阶段逐步过渡至弹塑性阶段，沉降速率逐步降低，并最终趋于稳定；在路面竣工后初期，土工格栅对道路表面沉降的影响基本为零，随着时间的增长，影响逐渐增大，但差异较整体沉降可忽略不计，其原因可能是由于土工格栅仅在路堤的表层铺设而未在路堤各部分分别加筋。图3为道路表面沉降点的竖向沉降值，因模型整体结构对称，取左侧一半进行研究，对比道路横断面不同位置的沉降差异，横坐标数值代表观测沉降点距道路表面中心点的距离。可以看出，当使用土工格栅时道路表面的沉降较未使用土工格栅的沉降量小，使用土工格栅时道路表面的沉降差值大概为0.3 cm，未使用土工格栅的沉降差值大概为0.7 cm，表面不均匀沉降降低幅度近60%。因此，可以看出使用土工格栅加固路堤表层可有效较低路面的不均匀沉降，提升路面平整度和施工质量。

4 结 论

本文依托实际工程，通过Abaqus有限元分析软件模拟了山区高填方路堤的整个填筑施工过程和工后沉降，研究了路堤整体沉降规律和表面的不均匀沉降，并通过对比模型分析了土工格栅的使用对于高填方路堤整体沉降控制以及路面不均匀沉降的控制效果。主要得到了以下几个结论：

(1)高填方路堤的沉降速率随着固结时间的增大而减小，在路面竣工2年后，沉降量已达总沉降量的70%以上，且沉降速率大幅度降低，沉降逐步趋于稳定；

(2)当使用土工格栅加固高填方路堤上部路基时，路基总体沉降会略微减少，约占总沉降量的6%，对沉降的总体控制效果不明显；

(3)使用土工格栅加固高填方路堤的上部结构时，由于土工格栅整体强度大，因此可以有效地降低道路表面因路基的整体沉降而引起的路面不均匀沉降，提高路面施工质量，保证行车安全。