黄土高填方路基沉降规律及机理研究

安惠娟

(太原市炳坤公路勘察设计咨询有限公司，山西 太原 030006)

0 引言

近年来，随着国家“十三五规划”的不断实施及中西部交通建设工程的不断发展，黄土地区高速公路建设规模逐步增大。在黄土路基施工过程中，黄土通常作为路基的地基，同时又作为路基的填料。但由于黄土粉粒含量较大、钙质含量高、垂直节理发育、大孔隙发育，其具有显著的结构性及强烈的水敏性，导致其在施工及运营过程中极易受水的影响，进而产生不均匀沉降、路基塌陷、滑塌等工程地质灾害，严重影响施工进度及运营安全。

鉴于此，学者们针对黄土路基开展了大量而深入的研究，也取得了一系列的科研成果。杲斐[1]结合某铁路路基沉降的工程病害，分析了病害的形成机理，并提出了增设灰土垫层和石灰桩的处治措施；何春锋[2]等人利用理论分析手段研究了黄土路基的变形规律，提出了预测模型；孙皓[3]等人针对高填方湿陷性黄土路基的拓宽工程，利用现场监测手段研究其变形特性；焦广彦[4]等人针对客运专线黄土路基沉降规律进行观测，并预测了工后沉降；蒋关鲁[5]等人利用室内试验、现场试验手段对黄土路基填料的改良特性进行了深入研究，并对其沉降进行预测。

本文依托山西某黄土高填方路基工程实例，利用现场监测手段对其沉降规律进行深入研究，并利用理论分析手段研究黄土高填方路基的沉降机理，为类似工程提供技术参考。

1 工程背景

山西某高速公路为双向四车道，设计速度为80 km/h，路基标准宽度为24.5 m。该高速公路路线位于黄土沟壑区，其地形地质条件复杂，沟壑纵横，沟谷地貌较为发育，导致其高填方路基分布较多，其中K9+990～K10+120段路基填土高度达34.98 m。该段路基在施工过程中，基床表面采用级配碎石作为主要填料，厚度为0.45 m；基床地层采用砂砾土作为填料，厚度为1.2 m；而基床以下路基全采用黄土作为填料。在路基边坡坡率设计方面，采用分级坡率，即从路基边缘起往下5 m范围内坡率为1∶1.5，5～15 m范围内采用1∶1.75，而15 m以下的范围均采用1∶2.25。

该路基段处的地质条件主要为第四系上更新统冲击质黄土(Q3al)，其厚度高达35 m。根据地质勘察资料显示，该黄土地层土质分布较为均匀，呈黄褐色，其垂直节理发育，大孔隙较发育，且具有一定的湿陷性。在施工过程中，该段路基采用分层碾压法，其最大松铺厚度≤0.5 m。

2 高填方路堤沉降现场监测

2.1 监测方案

2.1.1 监测传感器选择

本项目中黄土路基土压力测试主要采用振弦式土压力计。在监测过程中，当土压力发生变化时，土压力计的感应板感受到压力变化而产生变形，并将变形传递到振弦，从而使得振弦的振动频率产生变化，通过电磁线圈对振弦进行激振并测试其振动频率。结合本项目的实际情况，选用的土压力计测量范围为0～400 kPa，分辨力为0.08% F.S，具有监测精度高、导线布设方便、长期稳定性好等优势。

黄土路基沉降监测主要采用高精度静力水准沉降仪。其基于振弦式液位传感原理，布设一系列带有液位传感器的容器，且各容器间通过液管连通。根据本项目的现场实际情况，其选用的量程为300 mm，其监测精度为±0.1% F.S。

2.1.2 监测断面布设及监测方案

结合本项目的实际情况，选取典型断面K9+995作为高填方路基监测对象，主要采用振弦式土压力计和静力水准沉降仪，总共布设三层，传感器水平向间距为5 m。其具体布设情况如图1所示。

传感器布设完成后，在路基填筑前应读取3次数值，取其平均值作为初始值。在监测频率方面，应遵循如下规定：路基填筑施工期及预压土堆填期间应保持1～2次/d，施工期应保持1次/d，施工完成后1年内1次/周，当出现沉降量大幅增加或雨季，应适当增大监测频率。

注：路基为对称结构，取其一半作示意图1 K9+995监测断面示意图(单位：cm)

2.2 监测结果

为全面分析黄土高填方路基在施工过程中的变形规律，本项目对K9+995监测断面进行了长达四个月的监测工作。限于篇幅，本文仅选取路基中埋深最大的一层(第一层)传感器的监测数据进行分析，其监测成果如图2、图3所示。

图2 K9+995监测断面压力分布示意图

图3 K9+995监测断面沉降值分布示意图

从图2、3中可以看出，随着高填方路基施工过程的不断推进，监测水平面上的填土厚度越来越大，其承受的土压力也随之增大，沉降值也不断增大。在压力及沉降分布规律方面，可以看出，在6月21日前，左右两侧路基的压力及沉降分布基本均衡；但在6月21日以后，左半幅路基的压力及沉降最明显增大，其最大压力值达到340 kPa，最大沉降值达到31.5 cm。其原因在于，在6月22日路基施工区突降大雨，恰逢K9+995断面处正在进行左半幅路基填筑施工，停工后导致该处产生积水，施工单位未及时将积水排出；随着积水的不断下渗，导致左半幅路基黄土结构性严重破坏，沉降量增大，且在水土共同作用下，该处压力也大幅增加，对整体路基稳定性产生不利影响。

3 高填方路基沉降机理分析

在高填方路基沉降监测值中，主要由两部分构成，一方面是地基的沉降量，另一方面是路基填土的沉降量。由于黄土结构性强，垂直节理发育，大孔隙发育，在水作用下变形量较大，因此黄土高填方路基中路基填土沉降量所占比例较大。鉴于黄土高填方路基中路基填土兼具荷载和介质的双重作用，其沉降量极易受填土高度、施工过程等因素的影响。

3.1 填土高度对路基沉降的影响

为全面深入地分析黄土高填方路基填土高度对其沉降量的影响，本项目选取路基中心监测点，记录各层监测面中沉降量随填土高度的变化规律，所得监测结果如图4所示。

图4 各监测层沉降量与填土高度的关系曲线图

从图4中可以看出，在黄土高填方路基施工过程中，埋设的各层监测点沉降值与填土高度呈现出良好的线性关系，即随着施工的不断进展，黄土路基填土高度不断增加，其土压力随之增大，在附加荷载作用下，黄土高填方路基沉降累计值不断增加；其第一层沉降累计值较大，最大值达到315 mm，较第二层沉降累计值205 mm增加幅度达53.6%。可见，通过对黄土高填方路基沉降规律的监测及沉降机理的研究，将有助于预测其施工过程中的沉降值，进而对施工进行指导。

3.2 施工过程对路基沉降的影响

为全面监测施工过程对黄土高填方路基沉降的影响，本文针对K9+995断面开展了长达200 d的监测，从而深入分析整个施工过程中填土高度-沉降-时间的关系演化规律，所得结果如图5所示。

图5 黄土高填方路基填土高度-时间-沉降关系曲线图

从图5中可以看出，随着施工进度的持续推进，填土高度不断增加，各层监测的沉降值也随之急剧增长，当填土高度达到23.5 m左右，施工时间到85 d时，各工序已基本完成，沉降值增长速率趋缓；当施工时间到100 d左右时，其监测值属于工后沉降，其沉降速率趋于稳定。可见，在黄土高填方路基施工过程中，前期沉降变形增长速率较快，但后期沉降变形持续时间较长。因此在控制黄土高填方路基沉降总量时，应加强其施工前期黄土压填密实度，有效控制前期沉降变形量的发展。

4 结语

(1)通过对黄土高填方路基的现场监测发现，在施工初期，左右两侧路基的压力及沉降分布基本均衡；受地表水影响后，黄土结构性破坏严重，沉降量增大，且在水土共同作用下，路基压力也大幅增加，对整体路基稳定性产生不利影响。

(2)通过对黄土高填方路基沉降机理的研究显示，黄土高填方路基沉降量极易受填土高度、施工过程等因素的影响，建议加强其施工前期黄土压填密实度，有效控制前期沉降变形量的发展。