高路堤侧向位移沉降特性分析

韩君良 赵 岩

（西安公路研究院1） 西安 710054） （长安大学公路学院2） 西安 710064）

0 引 言

高速公路高路堤建设期的侧向位移观测是路基稳定控制中的主要内容之一，也是评价和控制路基稳定性的重要依据．实践表明，路堤自身沉降包含了较大比例的侧向位移产生的附加沉降．

我国学者对此进行了深入的研究．1994年马时冬［1］对路堤下软土的侧向位移作了观测分析并详细介绍了F．A．Tavenas的观点．张诚厚等（1995年）［2］在沪宁高速公路建设中研究了剪切变形引起的附加沉降量，得出了附加沉降量占总量14%～30%的结论．刘增贤，汤连生［3］根据广珠高速公路灵山段实际观测资料，分析计算了其侧向挤出沉降量占总沉降量1／4以上．1998年，广珠高速公路某标段 在填筑路堤时土的侧向挤出将距坡角7 m处的直径1．2 m的混凝土灌注桩挤偏了26 cm［4］．研究侧向位移与沉降的关系，对深入了解沉降特性与构成具有理论价值和实践意义．

1 侧向位移沉降模型

由于路基中的土样受力状态与在固结仪中不同［5］，见图1．原来作用于土样上的垂直和水平方向上的压力是σ1和σ3，开始加荷的瞬时，增加了附加应力Δσ1和Δσ3．

图1 土体的侧向变形

对于瞬时弹性变形，如图1a），土块虽然变形了，但体积改变ΔV＝0．这时垂直和水平方向有效主应力为

式中：ΔU为孔隙水压力增量．

当土体完全固结时ΔU＝0．其有效应力为

从式（1）与（2）的比较中显然可以看出：σ′3在固结过程中比σ′1的值增加的更多（σ1＞σ3）．所以土体在水平方向先是膨胀，在垂直方向，固结过程使土体进一步压缩．因此，在变形计算中应考虑水平侧向变形的影响．

本文按等体积变形的思想建立路堤侧向位移沉降模型，假设以下条件：（1）路堤单位高度的横截面可看作矩形截面，侧向变形后仍为矩形；（2）压缩过程中土体作等体积变形；（3）沿路线方向无形变，仅横向有形变，且两侧形变相同．

由条件（2）（3）可得，单位土体的变形为等面积变形．侧向位移产生的沉降可以用图2c）来表示．图中阴影部分为土体，空白部分为沉降量．

图2 沉降构成分解图

根据体积不变，图2c）中单位厚度空白部分与被挤出的c宽度的阴影部分面积相等，可以得出如下关系

由式（3）可以解出如下式

式中：H为填土高度；L为半幅路基宽度；h1为固结沉降量；h2为侧向位移产生的沉降；c为单侧侧向位移量．

式（4）反映了在模型假设条件下，侧向位移产生的沉降量h2与填土高度H、侧向位移量c、路基宽度L（半幅）之间的关系．

本模型确定的方法简便易行，不需要建立基于弹性理论和固结理论上的复杂的公式，且不需要通过室内试验来确定各个参数，从而避免了因参数选取不当带来的误差．式（4）建立在现场观测数据的基础上，能够较真实地反映实际情况．

2 工程实践

兰考至许昌高速公路是国家级重点建设项目日（照）南（阳）高速公路的重要组成部分［6］．途径黄河古道区多处分布有软土层．天然含水量36．10%～50．40%；孔隙比1．005～1．483；快剪指标c＝2．2～48．0 kPa，φ＝3．5°～14．0°．一般软土层顶板埋深（单元土层层顶距地面的深度）为1．80～15．00 m，个别达20．50 m，厚度一般不大于2 m，个别达3．8 m，呈规模不大的层状或透镜状．

在沿线试验路段选取典型横断面进行了长期的路基沉降及侧向位移观测［7］．试验采用沉降板进行沉降观测，采用侧向位移桩（也称边桩）对进行侧向位移观测．本文对K30＋600观测断面的侧向位移进行分析．填土与侧向位移随时间关系曲线见图3．

图3 K30＋600观测断面侧向位移图

从图中可以看出：（1）侧向位移呈现与填土进程良好的相关性．填土初期侧向位移量随着填土高度的增加而增大，且基本呈线性发展，填土荷载对侧向变形有直接的影响．（2）填土停止后，随着时间的推移侧向位移虽然没有完全停止，但所增加的幅度很小，即后期的侧向位移较小．

以K30＋600断面为例，观测期末侧向位移量为23．3 cm，根据式（4）和沉降观测数据及侧向位移观测数据对侧向位移产生的沉降量进行了计算．

其他断面的填土基本完成期数据计算结果见表1．作为对比，填土完成后整个观测期计算值见表2．

表1 填土基本完成期侧向位移产生的沉降量计算

表2 填土完成后整个观测期侧向位移产生的沉降量计算

由表1可见，填土期侧向位移产生的沉降量占观测沉降量的比例没有太大差异，均占稍高于20%；表2为观测期内的计算值，也在20%左右．

通过上面的分析，对沉降的构成，尤其是瞬时沉降部分有了深入的认识：瞬时沉降的实质并非在于“瞬时”，而在于“不排水的侧向挤出而产生的位移变形沉降”，而且路堤侧向位移的观测资料也表明，侧向位移产生的沉降并非瞬时完成，而是延续相当长的时间．

3 结 论

通过对侧向位移沉降模型的建立和工程检测数据计算及分析得到以下结论：

1）根据等体积法建立的路堤变形模型和推导的侧向位移沉降量计算公式，能准确简便的计算出沉降组成中侧向位移产生的沉降量．同时，也揭示了瞬时沉降不仅是由土体自身的压缩组成，侧向位移产生的沉降也是其中一部分．

2）瞬时固结过程中没有孔隙水的排出，但将路基土看成弹性体而认为其导致的变形是瞬时完成的看法是片面的．在沉降预测中，应充分考虑侧向位移产生的沉降对模型的影响．

3）侧向挤出产生的沉降也并非瞬时能完成，也能延续相当长的时间．结合侧向位移观测数据采用本文导出公式计算发现，因侧向位移产生的沉降量约占总沉降量的20%．

［1］马时冬．路堤下软粘土地基的侧向位移［J］．华侨大学学报：自然科学版 ，1995，16（2）：165－167．

［2］张诚厚，袁文明，戴济群，等．公路地基问题的讨论——沪宁高速公路昆山试验研究成果［J］．水利水运科学研究，1995，22（3）：270－283．

［3］刘增贤，汤连生．路堤荷载下软土侧向挤出沉降分析［J］．工程勘察2003（2）：1－4．

［4］宫晓飞，刘佑荣．高速公路工后不均匀沉降造成的病害及危害特点［J］．西部探矿工程2004，100（9）：193－195．

［5］钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算［M］．北京：中国水利水电出版社，2000．

［6］赵 岩．兰许高速公路路基稳定性分析［D］．西安：长安大学公路学院，2006．

［7］刘晓曦，岑国平，王 旭，等．路堤下涵洞沉降监测及有限元计算［J］．武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2009，33（3）：507－510．