高速公路高填方路基沉降变形数值模拟分析及防治措施研究

杨锦凤，周浪峰

(1.广西新恒通高速公路有限公司，广西 南宁 530000；2.柳州市交通综合行政执法支队，广西 柳州 545000)

1 路基沉降变形数值模拟分析

1.1 计算模型及参数确定

(1)建立路基计算模型

高速公路车道为双向四车道，路基宽度选取26 m，第二、三级路基填筑高度均为8 m，第一级边坡坡率为1∶1.5，第二、三级边坡坡率均为1∶1.75，边坡平台宽度均为1.5 m。

(2)模型参数确定

路基填土按照三级路堤填筑，路基模型计算过程中主要涉及路基土体物理力学参数，基于相关资料得到土体物理力学参数如表1所示。

表1 路基土体物理力学参数表

(3)土体力学参数确定

采用Mohr-Coulomb力学模型，土体变形参数采用体积模量(K)及剪切模量(G)。采用相关公式(1)及(2)将回弹模量(E)和泊松比(μ)转化成体积模量(K)和剪切模量(G)，如表2所示。

表2 路基力学参数

K=E/3(1-2μ)

(1)

G=E/2(1+μ)

(2)

1.2 路基填土高度对路基沉降变形的影响

(1)模型计算范围、水分边界条件、初始值及位移边界

选取填土高度分别为18 m、20 m、22 m的路基，按同级路堤填土高度土体性质相同进行简化处理。路侧无积水时，路基考虑在最佳含水率为10%实施填筑。

路基模型左右两侧采用x方向上的位移为0，即δx=0；路基模型前后两侧采用y方向上的位移为0，即δy=0；路基底部沿x、y方向受约束，即δz=0。

(2)计算参数选取

根据表1、2选取路基模型计算参数。

(3)路基模型计算分析

由图1可看出，在路基顶同等作用力下，路基竖向等位线随路基填土高度增大而加密，路基竖向变形随高度增加而增大，且从路基边部向中部竖向等位线加密，即从路基边部向中部竖向变形增大。路基随高度增大，自重增加，竖向沉降变形量增大，工后沉降变形量增大，路基稳定性越低。

图1 填筑路基高度20 m与填筑路基高度22 m对竖向沉降变形影响的趋势云图

1.3 路侧积水对高路基沉降变形的影响

(1)路基模型计算、边界条件及相关参数确定

选取路基高度为18 m，路基左侧积水10 d，其他边界条件、相关物理力学参数条件保持不变，模拟路基竖向沉降变形趋势。

(2)模型计算分析

由图2可看出，路侧积水时，路基竖向变形等位线较无积水的加密，路基竖向变形增大；路基竖向总体变形与路侧积水距离成反比，积水处路基竖向变形达到最大。水分迁移到路基内部，路基土体抗剪强度下降，增大路基容重，导致竖向沉降变形逐渐增大，路基稳定性下降，缩短路基使用寿命，进而影响路面使用性能。

图2 路侧无积水、积水对路基竖向沉降变形影响的趋势云图

1.4 土工格栅处治对高填方路基沉降变形的影响

选取18 m路基高度未采取土工格栅处治与每填筑路基厚4 m铺设一层土工格栅材料处治进行模拟路基竖向变形趋势。

由图3可看出，每填筑厚4 m采取土工格栅处治后路基竖向变形明显减小，铺设土工格栅提高每层路基基底抗拉强度性能，有效改善路基沉降变形，有效控制高路基沉降变形总量，土工格栅对土体具有固结性作用，保证路基稳定性。

图3 未采用土工格栅与采用土工格栅处治对填筑路基竖向变形影响的趋势云图

1.5 增强补压措施对高填方路基沉降变形的影响

选取20 m路基每填筑厚2 m采取增强补压措施与未采取增强补压措施对路基沉降变形分析。

由图4可看出，采取增强补压后，路基竖向沉降变形量明显小于未采取增强补压的沉降变形，冲击增强补压或强夯增强补压措施有效提高路基压实度，加速路基沉降变形速度，降低路基后期沉降变形量，保证路基后期竖向沉降变形控制在规范允许范围内，降低因路基沉降导致路面开裂的风险。

图4 未采用增强补压、采用增强补压措施对路基竖向沉降变形影响的趋势云图

1.6 半填半挖路段高填方采取土工格栅处治对路基沉降变形的影响

由图5可看出，下路堤范围填筑每2 m厚及路床范围填筑每0.5 m厚在填挖交界处铺设一层土工格栅后路基竖向沉降变形及水平位移明显下降，填挖交界处是路基抗剪切变形能力薄弱面，采取土工格栅处治后有效提高填挖交界处抗剪切变形能力，降低路基竖向沉降及水平位移超出规范允许范围的风险，有效预防填方区域沉降变形过大导致路基纵向裂缝，确保路基稳定。

图5 填挖交界处未采取土工格栅处治与采取土工格栅处治对路基沉降变形影响的趋势云图

2 高填方路基沉降变形防治措施

2.1 采取土工格栅处治

在填挖交界处路面底超挖部分设置三层土工格栅，以下路堤每2 m设置一层土工格栅，搭接宽度为0.2 m，用铁丝绑扎连接。土工格栅采用φ8钢筋弯制成u型铆钉锚固，锚钉间距为1 m，锚固长度不小于0.65 m。路面底超挖部分以下路堤的土工格栅采用外侧反包搭接，搭接长度1.5，如遇到台阶，搭接长度为2.5 m。

2.2 增强补压措施

为确保路堤安全稳定和减小路基沉降变形，基底清理完毕后，采用重型压路机碾压处理，基底压实度保证不小于90%，路堤每填筑2 m采用冲击碾压，对路堤进行增强不压，填筑至路槽底10 cm时，采用冲击式压路机进行路床增强补压。冲击遍数以前后两遍沉降变形量控制在允许范围内为止。采取冲击碾压最大限度加速路基沉降，大大降低路基后期沉降变形风险，确保路基稳定安全可靠。

2.3 加强边坡防护及完善排水系统

路基防护坚持“安全、环保、和谐、绿色”原则，在满足安全的前提下尽量选用环保、绿化的型式，突出植被护坡绿化功效。路基土路肩边缘、坡脚及坡顶等坡率变化点应在施工时结合原有地势予以削成圆弧形，与自然环境融为一体，提供良好的视觉效果。

根据边坡高度，路基一级边坡坡率采用1∶1.5，二级边坡及其以上采用1∶1.75，每级边坡设置2 m平台，采用工程防护与绿化有机结合方式进行边坡有效防护，完善坡底排水沟、平台截水沟、坡顶截水沟及急流槽，实现整个排水系统有机衔接及畅通，将坡面水排至路基范围外，确保边坡稳固，绿化美观。

2.4 设置护脚支挡结构物

高路堤一般位于山间洼地、冲沟中，根据地质条件、路基填料及地面横坡等情况，对各段高路堤进行稳定安全验算。保证路基稳定安全系数均满足规范要求F≥1.25。根据稳定验算情况可采用设置挡土墙等支挡构造物或设置反压护道等方法保证路基稳定性，同时为保证路堤安全稳定和减小不均匀沉降，采用冲击碾压和强夯法对路基进行增强补压。在路基内设置网络状排水渗沟及时排疏路基内水分，保持路基干燥。

3 结 论

(1)在荷载作用下，路基随高度增加，竖向变形呈逐渐增大趋势，并对上路堤范围竖向变形影响较大，路基竖向变形由中部向两侧呈减小趋势。

(2)因水分迁移致使路基土体抗剪切强度下降，在一定时间内，路侧积水距离与路基沉降变形量成反比，积水附近的路基沉降变形量最大，随时间推移，路基竖向变形及水平位移将增大。

(3)对高路堤填筑时，填筑每2 m后采取增强补压措施增大路基土体压实度，可有效降低路基后期竖向沉降变形量，提高路基稳定安全系数。

(4)高填方路基填挖交界处采取路堤每隔2 m设置一层土工格栅，提高路基竖向抗变形能力，有效降低路基竖向沉降变形量，保证路基稳定可靠。

(5)路基边坡有效防护及保证路基排水系统完善畅通对路基稳定性具有极其重要的作用。