公路高填方路基沉降分析与预测

摘要：针对高填方路基沉降问题，文章对强夯处治后的路基采用现场沉降监测和有限元模拟计算两种方式进行研究，对比分析试验段两个监测断面路基坡脚和路基中心处的沉降实测值和计算值，得出有限元计算结果较为准确，可用于指导现场施工。同时，采用有限元法结合生长曲线法对路基沉降进行预测，得出路基完工后沉降逐步达到了稳定状态。

关键词：高填方路基；沉降；强夯法；有限元；预测

中图分类号：U416.1+1 A 29 093 2

0 引言

我国很多高速公路修建在山岭重丘区，其路基结构常采用高填方路堤。由于地形复杂，地基承载能力差异大［1］，高填方路堤很容易产生差异沉降变形。高填方路堤施工过程中，必须采取有效措施进行加固处治，提高地基承载力和路堤压实质量，控制路堤沉降。强夯法是将重锤提升到一定高度，以自由落体的方式夯击土体［2］，使土体迅速固结，降低土体的压缩性，提高密实度和强度。采用有限元模拟分析计算路基填土的沉降量［3］，并结合生产曲线法［4］对高路堤沉降进行预测，分析确定路堤的稳定性。本文以某高速公路高填方路堤施工为研究背景，采用有限元法模拟计算高路堤的沉降量，与现场监测结果进行对比分析，并结合生长曲线法对高路堤工后沉降進行预估，力争为山岭重丘区高路堤施工提供参考。

1 工程概况

1.1 工程概况

某高速公路穿过山岭重丘区，沿线地形起伏大，有多处高填方和深路堑。高速公路采用双向四车道设计，最大行车速度为120 km/h，最低行车速度为80 km/h，路基设计宽度为28 m。取K40+068～K40+136为试验段，路基设计宽度为28 m，该路段属于侵蚀构造，地形条件较复杂，低山且沟谷狭窄。沟谷和台地地区均上覆亚黏土和碎石，厚度约为4～13 m，为残坡积碎石土地基。试验段路基采用高填方路堤，填方高度为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状材料，在路基自重和其他荷载作用下会使路基产生一定程度的水平位移和竖向位移。由于路堤填筑高度、地基承载能力存在一定的差异，路基各部分沉降变形也存在一定的差异。由于填方路堤的抗拉强度较低，在拉伸应变区很容易产生变形开裂。试验段地基起伏较大，局部路基与涵洞交接，填方高度大，容易产生较大的差异沉降。

1.2 强夯加固方案

为提高路基压实质量，有效控制路基沉降，在试验段采用强夯法进行加固。强夯法施工方案如下：

（1）夯击能。

该项目所选强夯夯锤重量为25 t，点夯落距为6 m，夯击能为1 500 kN·m，满夯落距为3.6 m，夯击能为900 kN·m。

（2）夯点布置。

夯点布置间距为4 m，按梅花型布置，如图1所示。

（3）夯击遍数。

路基强夯遍数为3遍，其中点夯两遍，满夯1遍，满夯夯印重叠1/4。第一遍夯击完成后，推土机整平后即可进行第二遍施工。单个夯点最后两击点夯平均夯沉量≤5 cm，满夯夯沉量≤2 cm，即可停止施工。夯击后检测路基压实度，压实度要求0～200 cm的深度范围≥94%；200～500 cm的深度范围≥93%。

2 高填方路基沉降分析

2.1 高填方路基沉降分析方法

为确定高填方路基沉降变形趋势，采用现场监测法和有限元法两种方法开展研究。通过对比分析确定有限元法计算结果的准确性，对计算参数进行调整，为下一步路基沉降预测做准备。

2.1.1 现场监测法

分别在路基坡脚和路基中心埋设沉降板，对路基施工过程中地基沉降量进行监测。总结路基沉降变形规律，确定路面施工时间。在K40+068～K40+136试验段，路堤填筑高度为20～25 m，选取K40+070、K40+095、K40+120三个监测断面，其中K40+070、K40+095断面位于涵洞的两侧，距涵洞分别为5 m和10 m。每个监测断面分别在路基坡脚和路基中心布置一个沉降板。

沉降板埋设后，每填筑两层路基填料开展一次沉降观测，停工期间每周观测1次。如连续两次沉降量均＜1 cm，可调整监测频率为每填筑3层开展一次沉降观测，停工期间每15 d观测1次。

公路高填方路基沉降分析与预测/吴永妍

2.1.2 有限元法

有限元法是将路基划分为若干网格，形成离散体结构，模拟路基上部的荷载作用分析路基的位移和应力。本文采用有限元软件建立路基模型，主要对路基的竖向位移进行计算。将地基土和路基填料看作弹塑性材料，构建理想弹塑性本构模型。采用p1ane42单元，按照平面应变问题对路基沉降进行计算。路基沉降计算假定路堤足够长、路基土各向同性、地基已固结，地基底面水平和垂直均受约束，地基两侧水平方向受约束。另外，在计算过程中不考虑温度变化的影响。

2.2 路基沉降计算与监测结果分析

路基沉降现场监测时间为360 d，按现场路基填筑施工进行模拟分级加载，利用有限元软件计算路基沉降。试验段路基设计宽度为28 m，填筑高度为22 m，地基计算深度取20 m。选取涵洞一侧的K40+095断面和K40+120断面作为研究对象，统计路基现场沉降监测与计算结果，绘制沉降变化曲线如图2和图3所示。

分析图2、图3可知，随路基填筑高度的增加路基沉降量随之增加，且施工期间沉降速率较高，填筑完成后沉降速率明显下降。K40+095断面在监测完成后路基中心和坡脚处的沉降量分别为17.23 mm和9.71 mm。其中，施工期间沉降量为14.42 mm和7.25 mm；工后沉降量为2.81 mm和2.46 mm。K40+120断面在监测完成后路基中心和坡脚处的沉降量分别为21.07 mm和12.85 mm，其中，施工期间沉降量为16.91 mm和9.69 mm；工后沉降量为4.16 mm和3.16 mm。K40+095断面沉降量较K40+120断面沉降量略大，分析原因是K40+095断面较靠近涵洞导致。两个监测断面路基沉降量计算值十分接近，且计算值略低于实测值，说明有限元计算结果准确率较高，可用于指导现场施工。

3 路基沉降量预测

路基沉降变形发展过程与生长曲线类似，随着填筑高度的增加，地基上部附加应力不断增加，路基沉降量也不断增加，沉降速率也不断提升，填筑完成后地基上部附加应力逐步稳定，沉降量和沉降速率不断缩小，并逐步趋于稳定。因此，采用有限元与生产曲线法相结合，对路基工后沉降进行预测，生长曲线计算公式如式（1）所示：

y（t）=L1+ae-bt（1）

式中：a、b——参数；

L——路基的最终沉降量。

根据上述对比，有限元计算结果较准确，采用有限元软件计算预测路基最终沉降量。取完工后路基沉降计算结果进行数据拟合，得出路基中心处和路基坡脚位置沉降量计算公式。K40+095断面沉降预测按式（2）和式（3）计算，式中时间t从路基开始填筑施工时算起：

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断面沉降预测按式（4）和式（5）计算：

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计算，时间间隔为30 d，预测时间段为自路堤填筑完成（150 d）至完工后3年（1 080 d），K40+095、K40+120断面路基坡脚和路基中心沉降预测结果如后页图4和图5所示。

分析图4可知，在完工约360 d以后，路基坡脚和路基中心逐步达到稳定状态，1 080 d时路基中心和坡脚位置的沉降预测值分别为21.183 9 mm和12.923 4 mm，与最终沉降量21.184 3 mm和12.9241 mm十分接近，可认为路基结构已经达到了稳定状态。

分析图5可知，在完工约360 d以后，路基坡脚和路基中心逐步达到稳定，1 080 d时路基中心和坡脚位置的沉降预测值分别为10.144 6 mm和17.681 8 mm，与最终沉降量10.145 2 mm和17.682 4 mm十分接近，可认为路基已达到稳定状态。

4 结语

依托高速公路高填方路基施工案例，采用现场监测与有限元数值模拟分析结合的方法对路基沉降进行研究，并采用有限元法结合生长曲线法对路基沉降进行预测，得出以下结论：

（1）路基施工期间路基坡脚和路基中心位置沉降增速较大，这是由于施工荷载作用、路基自重荷载不断增加造成的，完工后沉降逐步稳定，且工后沉降量较小。

（2）有限元数值模拟计算结果略低于现场实测结果，但二者十分接近，说明有限元计算结果准确，可用于指导施工。

（3）根据K40+095、K40+120断面路基坡脚和路基中心预测结果得出，360 d后路基逐步达到稳定状态，1 080 d路基沉降预测值与最终沉降值已十分接近，说明路基结构已稳定。

参考文献

［1］陈雪朋.高速公路路基拼宽工程中路基沉降分析［J］.内蒙古公路与运输，2022（3）：34-38.

［2］谌 呈.基于ABAQUS的高速公路路基沉降影响因素分析［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术分析［J］.四川建材，2022，48（4）：161-162.

［4］张军辉，周剑坤，周 平.软土地区高速公路路基沉降监测及预测分析［J］.公路与汽运，2020（3）：64-68.

收稿日期：2023-07-06