摘要：針對高填方路基沉降問題，文章對強夯處治后的路基采用現(xiàn)場沉降監(jiān)測和有限元模擬計算兩種方式進行研究，對比分析試驗段兩個監(jiān)測斷面路基坡腳和路基中心處的沉降實測值和計算值，得出有限元計算結(jié)果較為準確，可用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工。同時，采用有限元法結(jié)合生長曲線法對路基沉降進行預(yù)測，得出路基完工后沉降逐步達到了穩(wěn)定狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：高填方路基；沉降；強夯法；有限元；預(yù)測

中圖分類號：U416.1+1 A 29 093 2

0 引言

我國很多高速公路修建在山嶺重丘區(qū)，其路基結(jié)構(gòu)常采用高填方路堤。由于地形復(fù)雜，地基承載能力差異大［1］，高填方路堤很容易產(chǎn)生差異沉降變形。高填方路堤施工過程中，必須采取有效措施進行加固處治，提高地基承載力和路堤壓實質(zhì)量，控制路堤沉降。強夯法是將重錘提升到一定高度，以自由落體的方式夯擊土體［2］，使土體迅速固結(jié)，降低土體的壓縮性，提高密實度和強度。采用有限元模擬分析計算路基填土的沉降量［3］，并結(jié)合生產(chǎn)曲線法［4］對高路堤沉降進行預(yù)測，分析確定路堤的穩(wěn)定性。本文以某高速公路高填方路堤施工為研究背景，采用有限元法模擬計算高路堤的沉降量，與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進行對比分析，并結(jié)合生長曲線法對高路堤工后沉降進行預(yù)估，力爭為山嶺重丘區(qū)高路堤施工提供參考。

1 工程概況

1.1 工程概況

某高速公路穿過山嶺重丘區(qū)，沿線地形起伏大，有多處高填方和深路塹。高速公路采用雙向四車道設(shè)計，最大行車速度為120 km/h，最低行車速度為80 km/h，路基設(shè)計寬度為28 m。取K40+068～K40+136為試驗段，路基設(shè)計寬度為28 m，該路段屬于侵蝕構(gòu)造，地形條件較復(fù)雜，低山且溝谷狹窄。溝谷和臺地地區(qū)均上覆亞黏土和碎石，厚度約為4～13 m，為殘坡積碎石土地基。試驗段路基采用高填方路堤，填方高度為20～25 m。采用土石混填路基，高填方路基填料主要采用挖方段和隧道洞渣等松散粒狀材料，在路基自重和其他荷載作用下會使路基產(chǎn)生一定程度的水平位移和豎向位移。由于路堤填筑高度、地基承載能力存在一定的差異，路基各部分沉降變形也存在一定的差異。由于填方路堤的抗拉強度較低，在拉伸應(yīng)變區(qū)很容易產(chǎn)生變形開裂。試驗段地基起伏較大，局部路基與涵洞交接，填方高度大，容易產(chǎn)生較大的差異沉降。

1.2 強夯加固方案

為提高路基壓實質(zhì)量，有效控制路基沉降，在試驗段采用強夯法進行加固。強夯法施工方案如下：

（1）夯擊能。

該項目所選強夯夯錘重量為25 t，點夯落距為6 m，夯擊能為1 500 kN·m，滿夯落距為3.6 m，夯擊能為900 kN·m。

（2）夯點布置。

夯點布置間距為4 m，按梅花型布置，如圖1所示。

（3）夯擊遍數(shù)。

路基強夯遍數(shù)為3遍，其中點夯兩遍，滿夯1遍，滿夯夯印重疊1/4。第一遍夯擊完成后，推土機整平后即可進行第二遍施工。單個夯點最后兩擊點夯平均夯沉量≤5 cm，滿夯夯沉量≤2 cm，即可停止施工。夯擊后檢測路基壓實度，壓實度要求0～200 cm的深度范圍≥94%；200～500 cm的深度范圍≥93%。

2 高填方路基沉降分析

2.1 高填方路基沉降分析方法

為確定高填方路基沉降變形趨勢，采用現(xiàn)場監(jiān)測法和有限元法兩種方法開展研究。通過對比分析確定有限元法計算結(jié)果的準確性，對計算參數(shù)進行調(diào)整，為下一步路基沉降預(yù)測做準備。

2.1.1 現(xiàn)場監(jiān)測法

分別在路基坡腳和路基中心埋設(shè)沉降板，對路基施工過程中地基沉降量進行監(jiān)測?？偨Y(jié)路基沉降變形規(guī)律，確定路面施工時間。在K40+068～K40+136試驗段，路堤填筑高度為20～25 m，選取K40+070、K40+095、K40+120三個監(jiān)測斷面，其中K40+070、K40+095斷面位于涵洞的兩側(cè)，距涵洞分別為5 m和10 m。每個監(jiān)測斷面分別在路基坡腳和路基中心布置一個沉降板。

沉降板埋設(shè)后，每填筑兩層路基填料開展一次沉降觀測，停工期間每周觀測1次。如連續(xù)兩次沉降量均＜1 cm，可調(diào)整監(jiān)測頻率為每填筑3層開展一次沉降觀測，停工期間每15 d觀測1次。

公路高填方路基沉降分析與預(yù)測/吳永妍

2.1.2 有限元法

有限元法是將路基劃分為若干網(wǎng)格，形成離散體結(jié)構(gòu)，模擬路基上部的荷載作用分析路基的位移和應(yīng)力。本文采用有限元軟件建立路基模型，主要對路基的豎向位移進行計算。將地基土和路基填料看作彈塑性材料，構(gòu)建理想彈塑性本構(gòu)模型。采用p1ane42單元，按照平面應(yīng)變問題對路基沉降進行計算。路基沉降計算假定路堤足夠長、路基土各向同性、地基已固結(jié)，地基底面水平和垂直均受約束，地基兩側(cè)水平方向受約束。另外，在計算過程中不考慮溫度變化的影響。

2.2 路基沉降計算與監(jiān)測結(jié)果分析

路基沉降現(xiàn)場監(jiān)測時間為360 d，按現(xiàn)場路基填筑施工進行模擬分級加載，利用有限元軟件計算路基沉降。試驗段路基設(shè)計寬度為28 m，填筑高度為22 m，地基計算深度取20 m。選取涵洞一側(cè)的K40+095斷面和K40+120斷面作為研究對象，統(tǒng)計路基現(xiàn)場沉降監(jiān)測與計算結(jié)果，繪制沉降變化曲線如圖2和圖3所示。

分析圖2、圖3可知，隨路基填筑高度的增加路基沉降量隨之增加，且施工期間沉降速率較高，填筑完成后沉降速率明顯下降。K40+095斷面在監(jiān)測完成后路基中心和坡腳處的沉降量分別為17.23 mm和9.71 mm。其中，施工期間沉降量為14.42 mm和7.25 mm；工后沉降量為2.81 mm和2.46 mm。K40+120斷面在監(jiān)測完成后路基中心和坡腳處的沉降量分別為21.07 mm和12.85 mm，其中，施工期間沉降量為16.91 mm和9.69 mm；工后沉降量為4.16 mm和3.16 mm。K40+095斷面沉降量較K40+120斷面沉降量略大，分析原因是K40+095斷面較靠近涵洞導(dǎo)致。兩個監(jiān)測斷面路基沉降量計算值十分接近，且計算值略低于實測值，說明有限元計算結(jié)果準確率較高，可用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

3 路基沉降量預(yù)測

路基沉降變形發(fā)展過程與生長曲線類似，隨著填筑高度的增加，地基上部附加應(yīng)力不斷增加，路基沉降量也不斷增加，沉降速率也不斷提升，填筑完成后地基上部附加應(yīng)力逐步穩(wěn)定，沉降量和沉降速率不斷縮小，并逐步趨于穩(wěn)定。因此，采用有限元與生產(chǎn)曲線法相結(jié)合，對路基工后沉降進行預(yù)測，生長曲線計算公式如式（1）所示：

y（t）=L1+ae-bt（1）

式中：a、b——參數(shù)；

L——路基的最終沉降量。

根據(jù)上述對比，有限元計算結(jié)果較準確，采用有限元軟件計算預(yù)測路基最終沉降量。取完工后路基沉降計算結(jié)果進行數(shù)據(jù)擬合，得出路基中心處和路基坡腳位置沉降量計算公式。K40+095斷面沉降預(yù)測按式（2）和式（3）計算，式中時間t從路基開始填筑施工時算起：

y（t）=21.1 8431+0.900 28e-0.010 09 t（2）

y（t）=12.9 2411+1.112 60e-0.008 42 t（3）

K40+120斷面沉降預(yù)測按式（4）和式（5）計算：

y（t）=17.6 8241+1.057 51e-0.009 54 t（4）

y（t）=10.1 4521+1.722 93e-0.009 56 t（5）

自路基填筑完工后進行計算，時間間隔為30 d，預(yù)測時間段為自路堤填筑完成（150 d）至完工后3年（1 080 d），K40+095、K40+120斷面路基坡腳和路基中心沉降預(yù)測結(jié)果如后頁圖4和圖5所示。

分析圖4可知，在完工約360 d以后，路基坡腳和路基中心逐步達到穩(wěn)定狀態(tài)，1 080 d時路基中心和坡腳位置的沉降預(yù)測值分別為21.183 9 mm和12.923 4 mm，與最終沉降量21.184 3 mm和12.9241 mm十分接近，可認為路基結(jié)構(gòu)已經(jīng)達到了穩(wěn)定狀態(tài)。

分析圖5可知，在完工約360 d以后，路基坡腳和路基中心逐步達到穩(wěn)定，1 080 d時路基中心和坡腳位置的沉降預(yù)測值分別為10.144 6 mm和17.681 8 mm，與最終沉降量10.145 2 mm和17.682 4 mm十分接近，可認為路基已達到穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)語

依托高速公路高填方路基施工案例，采用現(xiàn)場監(jiān)測與有限元數(shù)值模擬分析結(jié)合的方法對路基沉降進行研究，并采用有限元法結(jié)合生長曲線法對路基沉降進行預(yù)測，得出以下結(jié)論：

（1）路基施工期間路基坡腳和路基中心位置沉降增速較大，這是由于施工荷載作用、路基自重荷載不斷增加造成的，完工后沉降逐步穩(wěn)定，且工后沉降量較小。

（2）有限元數(shù)值模擬計算結(jié)果略低于現(xiàn)場實測結(jié)果，但二者十分接近，說明有限元計算結(jié)果準確，可用于指導(dǎo)施工。

（3）根據(jù)K40+095、K40+120斷面路基坡腳和路基中心預(yù)測結(jié)果得出，360 d后路基逐步達到穩(wěn)定狀態(tài)，1 080 d路基沉降預(yù)測值與最終沉降值已十分接近，說明路基結(jié)構(gòu)已穩(wěn)定。

參考文獻

［1］陳雪朋.高速公路路基拼寬工程中路基沉降分析［J］.內(nèi)蒙古公路與運輸，2022（3）：34-38.

［2］諶 呈.基于ABAQUS的高速公路路基沉降影響因素分析［J］.湖南交通科技，2022，48（2）：12-15，75.

［3］王司帆.高速公路路基沉降及施工技術(shù)分析［J］.四川建材，2022，48（4）：161-162.

［4］張軍輝，周劍坤，周 平.軟土地區(qū)高速公路路基沉降監(jiān)測及預(yù)測分析［J］.公路與汽運，2020（3）：64-68.

收稿日期：2023-07-06