黄土地区高填路基工后沉降的影响因素研究

摘 要：为研究某黄土地区高填路基沉降的影响因素及规律，本文结合室内试验，采用FLAC 3D软件有限元软件分析了路基施工过程、压实度、CFG桩的位置参数以及尺寸参数对路基沉降变形的影响。研究结果表明，黄土含水率与试样压缩模量负相关，黄土压实度与试样压缩模量正相关，随着施工进度推进，填土高度不断增加，导致路基沉降量不断变大，CFG桩的位置参数及尺寸参数均对路基顶面沉降量有影响，路基顶面沉降量随尺寸参数增加逐渐减少，随位置参数增加不断增加，尺寸参数的影响效果大于位置参数。

关键词：黄土地区；高填路基；沉降影响因素；FLAC 3D

中图分类号：U 416" " 文献标志码：A

黄土作为典型土质，具有多孔、易压缩以及湿陷性等特点，因此黄土地区常出现路基不均匀沉降、边坡失稳等问题。路基不均匀沉降严重危害行车安全，缩短道路使用寿命[1]。为制定合理、经济的防治措施，须对黄土地区路基不均匀沉降的影响因素进行分析。

目前，国内外学者对路基不均匀沉降的机理及影响因素进行一系列研究，张雪强[2]总结了湿陷性黄土的物理力学特征，明确了黄土地区路基路面常见病害。王文娟[3]基于PLAXIS软件建立有限元模型，研究了坡度及填高对路基不均匀沉降的影响。徐益山等[4]探讨了填土含水率、边坡坡度等对路基沉降的影响规律。陈想明[5]基于ABAQUS软件，分析了CFG桩的桩长、桩径及桩间距对黄土路基沉降变形的影响。方琨[6]分析了不同条件下黄土路基顶面沉降的变形规律。综上所述，路基坡度、路基填高、土体物理力学性质等因素均对路基不均匀沉降有影响，但对黄土地区不同压实度条件下高填土路基的研究较少。

基于此，本文以某黄土地区高填土路基为研究对象，结合室内试验，利用FLAC 3D有限元软件，分析施工过程、压实度、CFG桩的位置参数以及尺寸参数对路基沉降变形的影响。

1 室内试验

本文以某黄土地区高填土路基为研究对象，路基边坡为三级边坡，坡率从上到下分别为1∶1.5、1∶1.75、1∶2.0，每级路基高度从上到下分别为5 m、10 m、10 m，每级平台宽度从上到下为2 m、3 m，路基总高度为25 m，路基顶面宽度为24 m，施工时采用分层（5m）铺填及压实的方法。

采集现场黄土，并通过室内基本物理试验得到的相关指标参数，见表1。

黄土的沉降变形与其压缩特性及湿陷性密不可分，制备成直径79.8 mm、高为20 mm的试样，试样设置5种压实度（85%、90%、93%、95%、98%）及6种含水率（7.5%、9.5%、11.5%、13%、15%、17%），按照规范对试样进行单轴固结试验，得到不同含水率试样的压缩模量，如图1所示。

由图1可知，压缩模量与压实度呈正相关，压缩模量与含水率呈负相关。压实度从85%增至98%，6种含水率的压缩模量变化大小为＞120.4%（含水率为17%）＞110.3%（含水率为9.5%）＞95.8%（含水率为7.5%）＞91.9%（含水率为11.5%）＞84.7%（含水率为15%）＞55%（含水率为13%）。当含水率从13%增至17%时，压缩模量的变化率从55%增至120.4%，当含水率从7.5%增至11.5%时，压缩模量的变化率从95.8%降至91.9%，说明含水率越大，压缩模量对压实度越敏感，验证了黄土的经水浸泡后塌陷的性质。当含水率从7.5%增至17%时，5种压实度的压缩模量变化大小为128.1%（压实度为90%）＞111.1%（压实度为93%）＞83.3%（压实度为85%）＞77.7%（压实度为95%）＞71.4%（压实度为98%），说明黄土的压缩模量与压实度整体上呈正相关。

将原状土用环刀切成3块试样，并利用过 5mm 筛分土制备含水率为13%、干密度为1.2 g/cm3（试样A）、含水率为13%、干密度分别为1.4 g/cm³（试样B）及1.7 g/cm³（试样C）试样各3块。利用侧限固结仪记录50 kPa、100 kPa、

200 kPa、300 kPa、400 kPa、500 kPa、600 kPa、700 kPa、800 kPa荷载下试样的变形。并按照公式（1）计算黄土的湿陷系数，绘制湿陷系数随压力变化曲线，如图2所示。

式中：δs为湿陷系数，%；h0为试样的原始高度，20 mm；hp为试样在荷载作用下稳定后的高度，mm；h'p为试样稳定后浸水稳定高度，mm。

由图2可知，重塑土的湿陷系数较原状土明显增加。随着含水率增加，湿陷系数急剧降低。试样A、试样B的湿陷系数随压力增加逐渐变大，在压力增至某个值后，湿陷系数逐渐变小。

在相同含水率条件下，干密度（压实度）影响路基土的湿陷性，在相同压实度下，含水率也影响路基土的压缩性。因此在实际施工过程中，须严格控制填土的含水率及压实度。

2 数值模拟研究

模型建立：图3为利用FLAC 3D有限元软件建立的某黄土地区高填土路基数值模型图。在模型中，参照路基实际尺寸设置路基尺寸，地基高度为10 m，岩土层高度为50 m，宽度为150 m，CFG桩高为18 m，桩径为0.5 m，桩间距为1.8 m。路基土压实度取91%，含水率为13%，并分层（5 m）铺填。

土层从上到下分别为路基土（粉状黄土）、地基土（黄土）、岩土层，土体及CFG桩具体的物理力学参数见表2。

3 数值结果分析

3.1 施工过程对路基沉降的影响

该高填路基的施工过程采用分层（5 m）铺填及压实的方法，施工过程中填土高度－沉降－时间的关系演化规律如图4所示。

由图4可知，随着施工的持续推进，填土高度在不断增加，当施工35 d时，填土高度达到10 m，一级路基施工完成；当施工85 d时，填土高度达到20 m，二级路基施工完成；当施工185 d时，填土高度达到25 m，路基施工完成。各级路基沉降量随施工进度在不断增加，各级路基最终沉降量由下方土体的累计沉降量及各级路基自身沉降组成，当填土高度为10 m时，地基沉降量为12.6 cm；当填土高度为20 m时，地基沉降量为26.5 cm，一级路基沉降量为13.5 cm；当填土高度为25 m时，地基沉降量为30.5 cm，一级路基沉降量为19.7 cm，二级路基沉降量为9.5 cm。

3.2 压实度对路基沉降的影响

压实度对黄土路基不均匀沉降量的影响效果显著，公路建设规范要求路基压实度不小于90%，因此需要研究不同压实度条件下路基的沉降变形规律，如图5所示。

由图5可知，路基最大沉降量随压实度增加逐渐减少。当压实度为90%时，最大沉降量为41.1 cm，当压实度为98%时，最大沉降量为15.7 cm，减少了61.8%。因此填土的物理力学性质对路基最大沉降量影响效果显著，可通过改变填土压实度减少路基最大沉降量。

3.3 CFG桩尺寸参数对路基沉降的影响

当桩间距为1.8 m时，CFG桩的桩径设置为0.75 m及1 m，桩高为15 m、20 m、25 m。路基的对称性影响路基顶面右侧沉降量随CFG桩的尺寸参数，其变化如图6所示。

由图6可知，距离中心线越远，顶面沉降量越少。随着CFG桩桩径增加，沉降量随之减少，当桩径1 m时，对比3种桩长的路基顶面中心点沉降量与桩径0.75 m的沉降量，结果减少了11.8%（桩长15 m）＞10.3%（桩长20 m）＞7.4%（桩长25 m），说明CFG桩长度越长，桩径对沉降量的影响越小，随着CFG桩桩长增加，沉降量随之减少。

3.4 CFG桩位置参数对路基沉降的影响

将CFG桩的桩径设置为0.75 m，桩高为15 m、20 m、25 m。分析当桩间距为1.5 m、2 m时，路基顶面右侧沉降量随CFG桩的位置参数的变化，如图7所示。

由图7可知，顶面沉降量随桩间距增加而增加，随桩间距增加，3种桩长路基顶面中心点沉降量增加了6.6%（桩长25 m）＞5.8%（桩长15 m）＞5.3%（桩长20 m），说明位置参数对沉降量的影响较小。

4 结论

本文以某黄土地区高填土路基为研究对象，结合室内试验，利用FLAC 3D有限元软件，分析施工过程、压实度、CFG桩的位置参数及尺寸参数对路基沉降变形的影响，得到以下结论。1）压实度增加能够有效减少路基的最大沉降量，验证了高填路基在施工过程中严格控制填土压实度的重要性。2）CFG桩的尺寸和位置参数对路基沉降也有明显影响。随着CFG桩桩径和桩长增加，路基沉降量显著减少。3）桩间距增加会使沉降量增加，说明合理设计CFG桩的尺寸参数可以有效控制路基沉降变形。研究结果表明，在黄土地区高填土路基施工中，应综合考虑填土的压实度和CFG桩的尺寸及位置参数，才能有效降低不均匀沉降风险，提高路基的稳定性和延长道路的使用寿命。

参考文献

[1]郭思越，罗政.高填方沉降防治施工技术研究[J].中国新技术新产品，2019（12）：106-107.

[2]张雪强.湿陷性黄土地区路基路面病害处治技术[J].黑龙江交通科技，2020，43（3）：34-35.

[3]王文娟.复杂条件下湿陷性黄土路基不均匀沉降控制技术研究[J].工程技术研究，2023，8（16）：36-38.

[4]徐益山，庄前兵，徐鹏飞，等.黄土沟谷区高填方路基沉降特性及影响因素研究[J].公路交通技术，2023，39（5）：1-9.

[5]陈想明.西北地区黄土路基沉降变形分析及治理[J].路基工程，2023（4）：188-193.

[6]方琨.不同因素对黄土路基不均匀沉降的影响及稳定性分析[J].西部交通科技，2023（2）：61-63，110.