黄土地区高填方路堤沉降变形特征

王 玮

（甘肃省建筑科学研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

1 概述

在黄土地区拟建高等级公路，需要进行大量的填方和挖方，也相应地出现了大量工程地质问题。其中分布最广泛，影响程度最大的是路基沉降变形。不同黄土类型具有不同的沉降变形特征，选择具有代表性的黄土路基进行沉降变形监测具有重要意义。

针对黄土填方路堤变形特征，国内开展了大量的研究。王鹏等[1]结合工程沉降监测试验，利用Logistic-双曲线组合预测模型对黄土高填方的沉降进行了预测研究；巨玉文等[2]提出了填方路堤施工结束后沉降与时间的关系式；高岳权[3]研究了黄土高填方路堤的变形机理并提出了相应的控制措施；吴文彪等[4]研究了含水率变化下压实黄土路堤的稳定性以及其防治措施；薛凯元等[5]研究了地形地貌特征对黄土高填方路堤沉降变形的影响；赵丽芳等[6]对高填方路堤开展了数值模拟研究；刘奉银等[7]研究了非饱和土体的固结模式和路堤沉降变形特征。Kim等[8]通过室内试验针对不同性质的黄土进行了研究，从基本物理力学性质入手分析了引起黄土高填方路堤的变形机理；Han等[9]研究了黄土高填方路堤的动力特征；Zhang等[10]认为黄土路堤沉降变形是黄土蠕变的一种形式，通过蠕变实验，建立了开尔文双曲线模型，并应用于黄土高填方路堤的计算中。目前，关于黄土高填方路堤沉降变形的研究大多集中在沉降规律、机理与沉降预测上，受到各种条件限制，难以找到具有实际工程依托的沉降观测，因此很多研究结果具有一定的局限性。

通过对不同类型黄土路堤进行观测，构建黄土地区公路路基长期性能观测网络，为设计施工提供基本参考数据，保障工程安全及公路长期稳定性。基于此，选择某高速公路黄土高填方路堤作为监测对象，建立长期性能监测站，通过观测土压力、土壤含水率以及路堤沉降量，对粉土、粉质黏土的沉降进行长期观测与评价，为后期公路养护提供依据，为类似工程开展提供借鉴。

2 监测设备与方法

2.1 监测设备

高填方路堤变形监测采用自动监测方法，可以实现实时远程传输，达到全天候不间断变形监测的效果。本次监测主要内容包括：土体含水率、土体温度、土压力以及沉降，主要使用的设备材料有：土压力盒、土壤水分传感器、沉降计、12 V电池、测斜管、水箱、防冻液等。

2.2 监测方法

传感器布设首先依据勘察设计资料选择具有代表性的断面，结合施工进度制订方案，依据方案在道路上选择传感器布设点位后，开挖坑槽用于埋设传感器，随后覆土回填。

土压力盒及土壤水分计埋入坑槽中即可，剖面计需连接剖面计的管线，在预期监测点位布设剖面计并固定，在剖面计出口端放置水箱（高于传感器）并加入防冻液，待防冻液充满整个管道。随后将整体穿入测斜管中，其高差维持在±1 mm，固定后覆土回填，完成布设。

3 路堤变形结果与分析

监测为期1年，选取某一典型断面的土壤水分监测结果、土压力结果以及沉降监测结果，并对监测结果进行分析。

断面按照填埋深度分为两层，上层土体体积含水率监测结果如图1a所示。体积含水率为1.4%～1.8%，变化幅度极小，保持在0.1%以内，在第1个月体积含水率有小幅增加，随后半年内逐渐降低，之后保持稳定。路堤中部含水率较高，向两侧逐渐降低。下层土体体积含水率监测结果如图1b所示，下层变化幅度较大，为28%～42%，其整体变化趋势与上层相同，先变大后变小，最后保持稳定。路堤中部含水率较高，向两侧逐渐降低，在向路堤边坡延伸方向上的体积含水率较高。上层水分补给主要通过降雨入渗，下层水分补给以毛细作用为主，所在地区降雨补给小，造成了下层含水率高于上层含水率的现象。由此说明，在该地区毛细作用较为强烈，在填筑路基时需要重点考虑地下水位和路基垫层防排水。

图1 体积含水率变化

土压力可以反映土体应力变化特征，断面埋深不同，布设两层土压力盒，上层土压力监测结果如图2a所示。土压力整体呈现增大——稳定的变化趋势，在路堤填筑完成后的第一个月，土压力发生明显增大，此后土压力变化趋于稳定。上层测线的土压力在0～0.1 MPa内变化，最大变化幅度为0.05 MPa。道路中轴线附近土压力较大，向两侧逐渐降低。其中7号土压力盒最大，可能是由于该位置土体压实程度较高。下层土压力监测结果如图2b所示，土压力整体呈现增大——稳定——增大——稳定的变化趋势，在路堤填筑完成后的第一个月，土压力发生明显增大，此后土压力变化趋于稳定，半年后土压力又发生了第二次增加，随后进入稳定阶段。下层测线的土压力在0.1～0.2 MPa内变化，最大变化幅度为0.05 MPa。道路中轴线附近土压力较大，向两侧逐渐降低。说明在土体压实后的1个月内会发生自重固结作用，固结时间较短，随后土体保持相对稳定状态。在施工过程中，通过提高土体压实度可以减少后期土体固结时间。

图2 土压力变化特征

在施工过程中，断面的沉降受到工程影响，导致剖面计水箱位置发生变化，由此造成沉降结果变小。上层测线沉降量为0～25 mm，初始沉降量较大，路堤填筑完成后半年内沉降量逐渐减小，半年后沉降趋于稳定。如图3a所示，发生明显的不均匀沉降后，靠近路堤边坡的区域沉降变化较大，但是随着时间增加，该区域的沉降趋于稳定所需时间较短，而靠近路堑边坡的区域沉降变化幅度较小，但是一直在持续变化。整体来看，道路中部沉降最小，向两侧延伸逐渐增大。下层测线沉降量为15～60 mm，如图3b所示，变化幅度在5 mm内变化，初始发生急剧变化，从60 mm迅速降低，是由于在填筑阶段压实引起的沉降。在压实完成的第1个月内，沉降量逐渐增大，最大增幅为2.5 mm，在上覆土体荷载作用下发生小幅度变形，1个月后土体变形稳定，沉降保持稳定。靠近路堑边坡沉降量较小，靠近路堤边坡沉降量较大。

图3 沉降变形结果

综上可知，黄土路堤发生沉降的时间主要是施工期和施工结束后的第1个月内，而越靠近临空面，沉降量越大，为了减少沉降量，可以对路堤加宽，或对临空面进行防护。

4 讨论

初始状态下的沉降和最终测试的沉降，两者的差值作为工期结束后1年的沉降，绘制两个断面变形云图，通过云图可观测到路基沉降的变化规律。此外，影响沉降量的因素很多，依据监测结果，建立土压力与沉降量、含水率与沉降量的数学关系式。断面的沉降变形云图如图4所示，从底部向上变形逐渐降低，等值线大体呈等密变化，局部区域出现突变，说明产生了不均匀沉降。

图4 沉降变形云图

土压力与沉降量关系如图5所示，监测数据点基本呈现线性变化，即土压力与沉降量呈线性相关，进行拟合得到二者之间的关系式：s=132.4σ+1.129（R2=0.53）。在监测初期受到施工影响，土压力不稳定，随着工期结束，土压力与沉降的关系更加贴近线性。体积含水率与沉降量关系如图6所示，含水率较低时拟合程度较低，随着含水率增加，拟合程度也随着增大，并且含水率越大，沉降量越大。两者的关系式为：s=0.5156w+7.136（R2=0.57）。土体沉降量对低含水率的响应不明显，而土壤含水率增大使得土体具有更强的压缩性，因此会使得土体沉降量增大。

图5 土压力与沉降量关系

图6 体积含水率与沉降量关系

5 结论

以黄土地区高填方路堤为研究对象，选取典型断面，对其土压力、含水率和沉降变形进行了为期一年的观测，最终得到了路堤的变形情况，通过分析得到了以下结论：

（1）高填方路堤土压力变化最大为0.05 MPa，在施工期结束后1个月内变化最为显著；含水率最大变化幅度为2%，最大沉降量为10 mm，发生在上层位置，整体路堤出现不均匀沉降，沉降量控制在2.5mm左右；

（2）黄土路堤发生沉降的时间主要是施工期和施工结束后的第1个月内，而越靠近临空面，沉降量越大，为了减少沉降量，可以对路堤加宽，或对临空面进行防护；

（3）含水率变化是造成黄土路堤发生沉降的控制因素，高填方黄土路堤中水分主要来自于降雨补给和地下水补给，迁移形式以自由入渗和毛细上升为主，其中毛细上升作用更为明显。道路中心含水量较高，两侧水分含量低；

（4）土压力变化是造成黄土路堤沉降的重要因素，土体在自重荷载下发生固结，使得土体孔隙减小，路堤沉降变形。道路中心处的土压力较大，向两侧逐渐降低，在土体压实后的一个月内会发生自重固结作用，固结时间较短，随后土体保持相对稳定状态。在施工过程中，通过提高土体压实度可以减少后期土体固结时间。