高填方路堤稳定性与沉降监测分析

侯 超

（山西交通控股集团有限公司 运城高速公路分公司，山西运城 044000）

山区公路由于受到地形限制，在设计与施工过程中经常出现高填路堤和深挖路堑。高填路堤填方高度大，容易产生沉降变形[1]，如施工质量不合格甚至存在滑动风险。因此，控制高填方路基沉降变形，在设计和施工中保证路堤处于稳定状态，是高填方路基建设的重点。山区公路高填方路基填料通常就地取材，而路堤填料直接影响路堤的稳定性。部分高填方设置土工格栅可限制填料变形[2]，进而提高路堤的稳定性。所选路堤填料普遍存在粒径过大、填料粒径规格不统一[3]、土质组成复杂等问题，影响压实质量，进而降低路堤的稳定性。而土石混填路堤的施工质量控制难度大，且沉降控制难度也较大，必须做好路堤稳定性分析。随着计算机软件技术的不断发展进步，采用有限元软件进行数值模拟分析的准确率不断提高[4]，本文依托某一级公路高填方路堤工程项目，利用有限元软件选用有代表性的断面，采用数值模拟分析的方法对路堤稳定性影响因素进行分析，为合理选取路堤填料、制定施工方案提供参考依据，并与现场监测结果进行对比分析，确定施工方案的合理性。

1 高填方路堤有限元模型建立

1.1 依托项目简介

某一级公路K10+910—K11+560 段为高填方路堤，路堤最大填筑高度为58.3 m。路基共分为6 级边坡，其中1～5 级边坡坡度为1∶1.5，6 级边坡坡度为1∶1.25。路堤下部地基平坦，最大坡度为16°，地基稳定性良好。路基填料选用附近路堑开挖弃方和隧道开挖弃方，主要为碎石土。

1.2 建立模型与边界条件

选取填方高度最大的K11+450 断面作为研究对象，利用有限元软件建立计算模型。根据设计资料，计算模型分为6 级边坡，计算模型如图1所示。边界条件：模型底边为全约束；路基边坡上部自由，路基顶部自由。

图1 高填方路堤平面计算模型

1.3 填料计算参数和计算工况

对施工现场路堤填料和地基土取样，通过室内试验并结合现场地质勘察结果，确定路堤填料和地基土有限元计算参数如表1所示。计算工况：K10+910—K11+560 段高填方路堤选用碎石土作为路堤填料，碎石单层摊铺厚度为40 cm，路基竖向位移计算云图如图2所示。可以看出，在该工况下路基中部竖向位移较大，上部和下部位移相对较小。

表1 路堤填料和地基土有限元计算参数

图2 路堤竖向位移云图

2 路堤稳定性影响参数分析

2.1 黏聚力影响分析

由于该项目高填方路堤最大高度达到了58.3 m，必须对高填方路堤稳定性进行分析，本文主要是对高填方路堤稳定性影响因素进行分析。根据强度折减法原理[5]，利用有限元计算模型对高填方路堤安全系数进行计算，分析各类因素对路堤稳定性的影响。按照设计资料，根据土基的计算参数，路堤填料采用碎石土，重度为20.6 kN∕m3，黏聚力为19 kPa，内摩擦角为28.8°，计算不同黏聚力对应的路堤安全系数Fs，绘制变化曲线如图3所示。

图3 不同黏聚力路堤安全系数变化曲线

分析图3 曲线得出，随路堤填料黏聚力提高，路堤安全系数不断提高，路堤整体稳定性也不断提高。当黏聚力较小时，随黏聚力增加路堤安全系数增幅较大，而当黏聚力达到5 kPa 以上时路堤安全系数增幅不断下降。因此，为了提高路堤的稳定性，不宜选择黏聚力较小的松散材料，如砂土，应选用具有一定黏聚力的黏性材料，或选用按比例掺入黏性土的无黏性材料。

2.2 内摩擦角影响分析

同样按照上述土基计算参数，路堤填料黏聚力选择20 kPa，在设计工况下计算不同内摩擦角所对应路堤安全系数Fs，绘制变化曲线如图4所示。

图4 不同内摩擦角路堤安全系数变化曲线

分析图4 曲线得出，随路堤填料内摩擦角提高，路堤安全系数不断提高，说明路堤整体稳定性随内摩擦角提高而提升。在内摩擦角从0°增加到20°区间，路堤安全系数提高幅度较大，而到内摩擦超过20°以后，路堤安全系数提高幅度逐步下降。因此，在高填方路堤施工过程中，不应选择内摩擦角较小的路堤填料，如黏性土，如采用黏性土，应适当加入砂土材料，以提高填料的内摩擦角，进而提升高填方路堤的稳定性。该项目路堤碎石土填料内摩擦角为28.8°，所对应的路堤安全系数较高，满足施工要求。

2.3 填料弹性模量影响分析

路堤填料黏聚力选择20 kPa，内摩擦角选择28.8°，在设计工况下计算不同弹性模量所对应路堤安全系数Fs，绘制变化曲线如图5所示。

图5 不同弹性模量路堤安全系数变化曲线

分析图5 得出，在路堤填料弹性模量小于200 MPa时，路堤整体安全系数出现了小幅度的波动，且计算结果较大，而弹性模量高于200 MPa 时路堤安全系数变化较小，但安全系数值较小。分析原因是路堤填料弹性模量较小时在填土自重作用下会产生较大的竖向变形，路堤固结速度快，安全系数有所提高；而当填料弹性模量较大时，路堤在填土自重作用下所产生的竖向变形较小，安全系数变化较小。

2.4 剪胀角影响分析

为研究路堤填料的剪胀性[6]，利用模型计算剪胀角对路堤稳定性的影响。路堤填料黏聚力选择20 kPa，内摩擦角选择28.8°，在设计工况下计算不同剪胀角所对应路堤安全系数Fs，绘制变化曲线如图6所示。

图6 不同剪胀角路堤安全系数变化曲线

分析图6 曲线得出，路堤稳定安全系数随填料剪胀角的影响较小，在剪胀角为0 时安全系数最小，超过1°以后在一定范围内小幅波动，但整体变化不大。因此，该项目在路堤碎石土填料选择时，不需要考虑路堤填料剪胀性的影响。

2.5 填料泊松比影响分析

路堤填料黏聚力选择20 kPa，内摩擦角选择28.8°，在设计工况下计算不同填料泊松比所对应路堤安全系数Fs，绘制变化曲线如图7所示。

图7 不同填料泊松比路堤安全系数变化曲线

分析图7 曲线得出，路堤稳定安全系数随填料泊松比的增加有小幅下降，但整体变化不大，说明路堤填料泊松比对路堤稳定性影响较小。分析原因是在路堤自重荷载的作用下，所产生的横向变形随填料泊松比增加而增加，对路堤稳定性产生了一些不利影响。因此，路堤填料选择时，不宜选择泊松比较大的路堤填料，建议泊松比为0.3 左右。

3 路堤沉降现场监测与分析

3.1 现场监测方案

为确定路堤的稳定性，同样选取填方高度最大的K11+450 断面作为研究对象，在地基顶面布置沉降板，在路堤顶面埋设观测桩，沉降板和观测桩均埋设在路基中心和两侧。地基沉降板测点编号为1～3 号，路堤顶面沉降测点编号为4～6 号，其中1 号和4 号测点位于路基中心位置，测点布置如图8所示。使用精密水准仪和铟钢尺，按照二等水准测量标准进行观测，在完工后进行了10 个月的沉降观测。

图8 K11+450断面测点布置示意图

3.2 地基沉降监测结果分析

沉降观测桩埋设后，进行首次观测，以后每次观测结果与首次观测结果对比确定沉降量，计算确定累计沉降量。本文选取1～3 号监测板沉降量监测结果作为研究对象，绘制累计沉降变化曲线如图9所示。

图9 地基沉降变化曲线

分析图9 曲线得出，在路堤填筑施工阶段，地基沉降增幅较大，4 个月以后沉降速率逐步趋缓。前4 个月由于路堤填筑施工路基土自重荷载不断增加，与施工荷载共同作用产生了较大的沉降量。4 个月以后路堤填筑施工结束，路基自重荷载不再增加，所承受的施工荷载也较少，所产生的沉降量大幅下降，沉降速率逐步趋缓。在监测完成后地基沉降量逐步趋稳，说明路堤填筑完成后地基沉降逐步趋于稳定，路堤总体结构稳定。

3.3 路堤顶面沉降监测结果分析

路堤填筑完成后，在路堤顶面埋设观测桩，监测时间也为10 个月。统计沉降监测结果绘制路堤顶面沉降变化曲线如图10所示。

图10 路堤顶面沉降变化曲线

分析图10 曲线得出，在路堤观测前期，地基沉降变化幅度较大，3 个月以后沉降速率逐步趋缓，期间有小幅波动，监测结束时基本趋于稳定。前3 个月由于路基固结变形速度较快，沉降量也较大，而3 个月以后固结变形速率放缓，沉降量也随之下降，期间有小幅波动，分析是由降雨量增加造成的。因此，路堤填筑完成后沉降量逐步趋于稳定，路堤总体结构稳定。

4 结论

以高填方路堤施工项目为研究背景，通过有限元分析和现场监测对路堤稳定性影响因素和路堤沉降变化规律进行分析，得出以下结论：

a）随填料黏度增加路堤安全系数不断增加，因此应选择具有一定黏聚力的填料，不宜选用松散材料。

b）随路堤填料内摩擦角增加路堤安全系数不断提高，但内摩擦角超过20°后路堤安全系数提高幅度明显下降，因此建议选择内摩擦角不低于20°的路堤填料。

c）路堤填料弹性模量、剪胀角、泊松比对安全系数影响相对较小，尤其是剪胀角影响可以忽略。

d）在路堤填筑期间地基沉降增幅较大，完工后逐步趋缓；路堤顶面沉降在监测初期增幅较大，3 个月后逐步趋缓，监测完成后地基和路堤顶面沉降均趋于稳定，说明路堤总体结构稳定性良好。