斜坡高填方路堤变形特性试验研究

王健 白皓 王武斌

【摘要】高填方路堤由于其填方量大、自重大、填料不均等易产生较大的沉降和不均匀沉降，严重影响行车安全。文章以高填方路堤铁路站场为项目背景，通过对高填方路堤的现场试验研究，获取填方路堤的水平位移和沉降变形以及土体应力数据，并结合GEO Studio数值模拟软件，分析了高填方路堤在自重、上部荷载及百年洪水位等因素作用下的水平位移和沉降分布规律，两者结果吻合较好，可为站场后期运营提供可靠依据。

【关键词】高填方路堤; 边坡稳定性; 沉降变形; 试验研究; 数值分析

【中国分类号】U213.1【文献标志码】A

随着国家西部大开发战略的深入开展，促进了西部地区在交通领域尤其是高速公路、铁路的建设。而西部地区主要以山地、高原为主，土地资源本就十分紧张，这就使得高速公路、铁路等大型工程项目的建设将不可避免地在艰险山区中进行[1]，山区高填方工程进入高速发展阶段。

高填方工程在山区高速公路的建设中十分常见，主要具有以下几个特点[2-4]：（1）高填方主要通过填平沟谷而成，其填方量大、填筑高度高，有时可达50 m甚至100 m。（2）由于填筑材料一般都是经过附近山体开挖形成的碎石材料，因此，高填方地区地质条件十分复杂，一般情况下，其底部分布有厚度不均匀的软弱土层[5]。软弱土层的存在必然会导致地基的不均匀沉降，此外，填料性能的巨大差异也会产生差异沉降，严重时将危及高填方体的整体稳定性[6-7]，对人民生命和财产安全造成严重的影响。（3）填筑体在自重作用下产生较大的沉降变形。理论和试验研究表明，原地基在巨大的填筑体自重压力下自身会产生一定的压缩变形，其次在荷载的作用下，填筑体中的孔隙被压缩、填筑体被挤密进而产生部分变形[8-9]。

因此，对于高填方工程，地基的稳定性问题如不均匀沉降或者是地基沉降过大等引起了工程人员的广泛关注。吴俊、郑治等[8][10]基于有限元方法，对高填方路基边坡沉降变形规律开展了影响因素分析，主要考虑边坡外形和坡体材料参数的影响。此外，刘建超[11]基于试验的方法，开展了材料压实度对高填方路堤沉降变形规律的影响分析。魏道凯等[12]对高填方路基沉降变形数据与有限元模拟计算结果进行了数据拟合与预测，较好地反映了地基变形的动态过程。吴维义等[13]基于D-P本构模型分析了高填方路堤的沉降变形规律。夏英志等[14]采用ABAQUS软件探究了高填方路基产生差异沉降的影响因素，并认为改善填料的物理力学性质可以有效减小地基的不均匀沉降。

依托重钢货运铁路高填方工程，基于原位试验研究，辅以数值分析方法，对高填方路堤变形特性开展研究，以此来分析路堤边坡的整体稳定性，可为站场后期运营提供可靠依据。

1 工程概况

重钢高填方路堤站场位于SDK3+180～+595段，呈东西走向，南侧靠山，北侧临江，地形起伏较大。场坪平均高度约228.7 m，路基中心填方高度为25～70 m，最大边坡高度约74 m。

试验段选取DK3+380～560区段，该区段填筑高度最大，填料来源主要为附近山坡开挖的岩块通过加工形成的碎石料。其中，红砂岩碎石含量超过60 %，填料最大填筑粒径为80 cm，填料性质符合填筑要求。

2 试验结果分析

以SDK3+560.00典型断面为例，如图1所示为该断面临江一侧地形图，该断面共布置5根测斜管，编号从坡顶到坡脚依次为560-1、560-2、560-3、560-4以及560-5，坡顶至坡底的最大高度约为83 m，地基平均坡度为21.43 %。边坡变形监测于2010年11月开始，到2011年7月结束，共计监测时间9个月。

2.1 水平变形分析

如图2所示，图中纵坐标分别表示测点1～5处边坡水平累计位移变形值，需要说明的是，当水平位移为正时，则表示该点水平位移方向向北，即指向长江方向。

（1）点位1处土层累计水平位移变化趋势较为明显，从2010年12月至2011年7月，该孔位处土体一直向着长江方向发生位移，在2011年4月趋于稳定。造成上述现象的原因主要是由于SDK3+560.00断面处在平均坡度为21.43 %的斜坡地表上，坡頂土体侧向水平位移主要受路基本体下滑力的影响，使得土体一直向着长江方向发生位移。随深度的增加，土体侧向水平位移大致呈逐渐变小的趋势，但变化幅度较为平缓，在深度21.5 m处有最大值，最大值为48.5 mm。

（2）点位2处土体深层累计水平位移特征和1点位较为类似，路基土体发生向着长江方向的位移，且随着深度的增加，土体位移大致呈逐渐减小的趋势，水平位移最大值发生在深度17 m处，最大值为53.72 mm。

路基累计水平位移在深度10 m以及20 m附近出现显著的“V”型曲线段，但在2011年5月以后已趋于稳定，部分区域还存在较小波动，但波动范围不大。造成这种现象的主要原因是道砟与轨道施工造成路堤整体下滑力增加，同时，断面部分填筑路堤在长江水位下，当长江水位变化时，路基本体中孔隙水压力也随之变化，使得路基侧向水平位移有一定的波动。

（3）点位3处路基土体侧向水平位移基本趋势是向着长江发生位移，但在2011年4月有一个较大波动，之后一直比较稳定。土体侧向累计水平位移在2011年4月变化较大的原因可能与路基面上轨道铺设有关。路基最大累计侧向位移发生在深度21 m处，即图2（c）中“V”型段，最大值为27.69 mm，但在4月至7月波动很小，因此该孔处于一个波动较小的稳定性状态。

（4）点位4处于第五级台阶上而且深度较浅，所以此处路基侧向水平位移量相对较小，侧向位移最大值发生在深度1 m处，最大值为9.2 mm，如图2（d）所示。路基本体整体发生向着长江方向的位移，随深度变化过渡较为平缓，中间部分区域水平位移变形较小，且有负向位移的趋势。整体上无明显的“V”型曲线，说明该孔位处土体无明显滑动面，路基土体处于一个稳定的状态。

（5）点位5处于坡脚附近，土体侧向水平位移基本上是朝向长江方向，符合坡脚处位移特点，坡脚处路基水平位移最大值发生在地表，最大值为15.91 mm。沿深度方向，路基水平位移逐渐减小，无典型“V”型曲线，说明地基土中无滑动面，该处路基土处于一个稳定的状态。

综合上述5个点位的水平位移整体变化趋势可知，随着深度的增加，边坡水平位移整体上大致呈减小的趋势，部分区域存在明显的“V”型曲线。此外，在测试初期，各点位处水平位移实测值都较大，但随着时间的变化逐渐减小，且在2011年4月后，边坡水平位移无明显变化，边坡的水平变形达到稳定状态，无明显滑动。

2.2 沉降变形分析

在SDK3+560断面路堤中心左侧布置一套分层沉降仪，以测得该断面的沉降值。该点位处填土高度约为60 m，监测时间从2010年12月开始，至2011年7月结束，根据边坡分层填筑高度，从上到下在深度分别为3 m、8 m、20 m、32 m、44 m以及56 m处埋设仪器，监测其沉降值，沉降变形曲线如图3所示。

从图3中可以看出，路基深部土体沉降在2010年12月至2011年3月期间变化较为明显，之后便趋于稳定。路基表面最大沉降为157.24 mm，沉降主要发生在深度8～32 m范围内，约为路基本体总沉降的60 %，主要是由于该部分路基填筑时间较晚以及上部轨道施工产生的附加应力对上部土层影响较大导致的。同时，由图3可知，在2011年4月份后，该断面各测点的沉降变形在数值上变化较小，基本趋于稳定。同时，结合前述水平位移的变化规律，可以断定该断面在2011年4月份之后变形趋于稳定。

2.3 土压力监测结果分析

根据施工情况，于填方体内部强夯层表面埋设土压力盒，采用半边形式埋设，埋设总共分为三层，分别在距离地表为3 m、8 m、13 m的深度处埋设，每一层中布置三个测点，共计9个测点，测点位置始终保持与上方站场线路中心线在同一平面内，得到7个月的土压力监测结果，见图4。

从图4中可以得出：前5个月，土体中的应力呈增长趋势，2011年5月以后，土体应力趋于稳定。埋深越大，土体应力越大。深度3 m处第5个月后最大值稳定在0.042 MPa，深度8 m处的稳定土压力值为0.124 MPa，而深度13 m处在应力为0.239 MPa时达到稳定，且在第5个月后，高填方路堤土中应力基本已趋于稳定，路基本体稳定性良好。

通过上述对路堤边坡的位移和土压力的观测分析可知，三者基本在同一时间达到稳定，且该填方坡体无明显滑动，由此可认为，该路堤边坡在2011年5月基本达到稳定。

3 填方坡体变形数值模拟

前节通过现场试验监测数据分析了SDK3+560断面仅在自重作用下的水平位移和沉降变形，并没有考虑上部荷载的作用。因此，本节采用数值模拟软件Geo Studio，分析了该高填方路堤断面在自重以及上部附加荷载作用下，边坡的水平位移和沉降变形，综合前节现场监测资料，对该高填方路堤边坡的整体变形特征进行更加深入的分析。根据地勘资料以及填筑施工方案，得到该断面的地层分布图，在Geo Studio软件中进行建模分析，得到了该断面在自重荷载、自重荷载以及上部荷载共同作用下边坡的沉降变形及水平位移等值曲线，如图5～图8所示。

从图5～图6中沉降等值曲线可以看出：沉降最大值集中在路肩附近，上部荷载只对路基表面沉降有一定的影响，坡体沉降范围值分别为-0.04 m至-0.28 m，较实测值大。此外，该断面路基不均匀沉降较大，差异沉降在0.14 m左右，说明路基整体沉降不均匀，这主要是该断面整体处在坡度较大的斜坡上，路基本体厚度不均匀且坡体下滑力的影响显著，使得路基表面沉降不均匀。从沉降等值曲线密集程度可以看出，填方路基中部土体等值线密集，说明该处土体压缩量较大，这与分层沉降结果一致性较好。

根据图7～图8中填方路堤的水平位移等值曲线可知，在填方路堤边坡中部，水平位移变形值较大，最大值可达0.075 m，且该水平位移方向朝着长江方向。同时，根据位移等值线分布可知，边坡中部附近水平位移等值线分布较为密集，由此可猜测该边坡中部及以上区域内部土体可能存在浅层滑动面。

4 结论

本文依托重钢货运铁路站场山区高填方路堤项目，对特征断面的路基和边坡进行现场的沉降和水平位移监测，并结合数值分析软件GEO Studio，在考虑自重及附加荷载组合作用的影响下，对高填方路堤的变形特性进行分析，可得结果如下：

（1） SDK3+560断面整体发生向着长江方向的侧向位移，部分点位有向着路基中心方向的位移，可能是受到路基沉降使得路肩处土体回缩导致的;随着深度的增加，路基侧向水平位移逐渐减小，局部有较小波动，可能是由于土体内部产生了滑动面，导致上下土体发生错动，使得土体侧向水平位移曲线呈现典型的“V”型曲线。

（2）在深度方向，高填方路基沉降变形逐渐减小;填方自重是影响路堤沉降和水平变形的主要因素，附加荷载对其整体变形影响较小，只在荷载作用的局部区域对路堤变形有影响。

参考文献

[1] 郑颖人.岩土塑性力学原理[M].北京：中国建筑工业出版社， 2002.

[2] 姚祖康.道路路基和路面工程[M].上海：同济大学出版社， 1994.

[3] 徐晓宇.高填方路基沉降变形特性及其预测方法研究[D].长沙：长沙理工大学，2005.

[4] 馬登刚.高填方路基沉降变形特性及其预测方法探究[J].中国设备工程，2020（14）：230-231.

[5] 刘金波，张雪婵，王也宜，等.山区高填方地基事故预防与处理[J].施工技术，2017，46（10）：117-121.

[6] 田辉，文祥云，郑益攀，等.浅谈高填方路基施工技术及质量控制[J].公路，2018，63（10）：85-88.

[7] 姚仰平，黄建，张奎，等.机场高填方蠕变沉降的数值反演预测[J].岩土力学，2020（10）：1-11.

[8] 郑治，杨有辉.高填方路基沉降变形规律研究[J].公路工程，2007（4）：72-75+78.

[9] 李华，陈晨，李向群.压实度对高填方路基自身沉降影响的数值分析[J].铁道建筑，2010（5）：85-86.

[10] 吴俊，陈开圣，龙万学.高填方路基沉降变形有限元数值模拟[J].公路工程，2009，34（2）：27-29+33.

[11] 刘建超.高速公路高填方路基沉降变形的预测分析[J].交通世界，2019（24）：60-61.

[12] 魏道凯， 寇海磊. 高速公路高填方路基沉降变形数据拟合与预测研究[J].公路工程，2018，43（1）：251-255.

[13] 吴维义， 姬同旭， 李昌龙. 基于D-P本构模型的某公路高填方路基沉降规律研究[J].路基工程，2020（3）：137-139+160.

[14] 夏英志， 程玉.. 高速公路高填方路堤差异沉降特性研究[J].公路工程，2019，44（4）：268-273.