陈毅
山西省交通科技研发有限公司 黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室, 山西 太原, 030000
摘要：黄土地区高填方路堤的沉降变形对公路运营寿命具有重要影响，研究其沉降变形特征具有重要意义。以黄土地区的高填方路堤为研究对象，通过布设各类传感器，进行了长期实时变形监测及分析，研究表明：（1）土压力变化最大为0.05MPa，在施工期结束后一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10mm，发生在上层位置，整体路堤出现不均匀沉降，沉降量在2.5mm左右；（2）含水率变化是造成黄土路堤发生沉降的控制因素，道路中心含水量较高，两侧水分含量低；（3）土压力变化是造成黄土路堤沉降的重要因素，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。
关键词：黄土；高填方路堤；沉降变形
Settlement characteristics of high-filled embankment in Loess area
CHEN Yi
(Key Laboratory of Highway Construction and Maintenance Technology in Loess Region，Ministry of Transport, Shanxi Transportation Technology Research & Development Co., Ltd, Taiyuan 030000, China )
Abstract: The settlement and deformation of high fill embankment in loess area has an important influence on the service life of highway and it is of great significance to study its settlement and deformation characteristics. Long-term real-time deformation monitoring and analysis were carried out in high-filled embankment in loess region. The research showed that: (1) the maximum variation of earth pressure was 0.05 MPa, and the change was most significant within one month after the completion of construction period; The maximum variation range of water content is 2%, and the maximum settlement is 10mm, which occurs in the upper layer. The overall embankment presents uneven settlement, with the settlement around 2.5mm. (2) The change of water content causes the settlement of loess embankment. (3) The change of soil pressure is an important factor that causes the settlement of loess embankment. The soil pressure at the center of the road is relatively large and gradually decreases towards both sides. The self-weight consolidation will occur within one month after the soil is compacted.
Keywords: Loess; High-filled embankment; Settlement
1 引 言
黄土地区地形复杂，沟壑纵横，公路线路穿越沟谷，需要进行大量的填方和挖方，相应的也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，国内外学者开展了大量的研究。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，优化设计施工，进一步节约成本，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
高填方路堤变形监测采用自动监测方法，本次监测主要监测内容包括：土体含水率、土体温度、土压力以及沉降。土压力监测通常使用土压力盒，本次监测使用的是正弦式土压力盒，可以同时监测温度和土压力。土体含水率可通过土壤水分计测得，通过测量土壤的介电常数，能直接稳定地反应各种土壤的真实水分含量，在埋设前经过检验标定。土体沉降变形采用压差式剖面沉降仪测试系统进行监测。
传感器布设依据监测方案在道路上选择传感器布设点位，放点完成后，开挖坑槽用于埋设传感器，布设完成后覆土回填。剖面计埋首先连接剖面计的管线，随后在预期监测点位布设剖面计并进行固定，在剖面计出口端放置水箱（高于传感器）并加入防冻液，同时进行排气，待防冻液充满整个管道时，停止注入。随后将整体穿入测斜管中，整平使其高差维持在±1mm，固定后后覆土回填，完成布设。
3 路堤变形结果与分析
选取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，并对监测结果进行了分析。断面按照填埋深度分为两层，上层土体体积含水率为1.4%-1.8%，变化幅度极小，保持在0.1%以内，在第一个月体积含水率有小幅度增加，随后半年内逐渐降低，半年后保持稳定。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为28%-42%，变化幅度较大，最大可达到2%，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，由于降雨量较小，因此降雨补给量小，造成了下层含水率远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。
土压力可以反映土体应力变化特征，断面按照埋深不同布设两层土压力盒，上层土压力监测结果如图1a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0-0.1MPa内变化，最大变化幅度为0.05MPa。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1b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0.1-0.2MPa内变化，最大变化幅度为0.05MPa。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。
.png)
图1 土压力变化特征
断面一沉降结果如图2a所示，上层测线沉降量为0-25mm，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。下层测线沉降量为15-60mm，如图2b所示，变化幅度在5mm内变化，初始发生急剧变化，从60mm迅速降低，是由于在填筑阶段压实引起的沉降。在压实完成的第一个月内，沉降量逐渐增大，最大增幅为2.5mm，在上覆土体荷载作用下发生小幅度变形，一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。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一个月内，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。
.png)
图2 沉降变形结果
4 讨 论
影响沉降量的因素有很多，依据本次监测结果，分别建立了土压力与沉降量、含水率与沉降量的数学关系表达式。土压力与沉降量关系如图4所示，图中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)。在监测初期收到施工影响，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5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。二者的关系式为：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。
.png)
5 结 论
（1）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一个月内，而越靠近临空面，沉降量越大，高填方路堤土压力变化最大为0.05MPa，在施工期结束后一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10mm，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）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与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；
（3）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。
参考文献（References）:
[1]王鹏,巨玉文.Logistic-双曲线组合模型用于黄土高填方路堤沉降预测的研究[J].公路,2018,63(04):12-17.
[2]巨玉文,胡颖,王文正.黄土填料高填方路堤工后沉降变形规律的试验研究[J].公路,2017,62(08):21-27.
[3]高岳权.黄土地区高填方路堤滑坡机理及控制措施研究[J].地下空间与工程学报,2016,12(S1):393-399.
[4]吴文彪,郑俊杰,曹文昭.考虑含水率影响的压实黄土路堤稳定性研究[J].岩土力学,2015,36(S1):542-546.
[5]薛凯元,巨玉文,王文正,郑雪梅.地形对黄土高填方路堤沉降的影响[J].科学技术与工程,2014,14(32):282-285.
[6]赵丽芳,邹恩杰,罗烈日.黄土地区高填方路堤稳定性数值模拟研究[J].公路,2013,58(12):22-27.
[7]刘奉银,赵然,谢定义,赵学勐.黄土高填方路堤沉降分析[J].长安大学学报(自然科学版),2003(06):23-28.
[8]Kim, Daehyeon, Chung, Yoonseok, Siddiki, Nayyar Zia,等. Mechanical Characteristics of Indiana Loess Soils for Highway Embankments[C]// Transportation Research Board Meeting. 2008.
[9]Han Y , Dong Y , Wang Y , et al. Experiment Study of Loess-filled Embankment under Dynamic Compaction[J]. Open Civil Engineering Journal, 2015, 9(1):644-649.
[10]ZHANG Weibing, XIE Yongli. Computational Method of Settlement Process of High Loess-filled Embankment Considering Rheological Characteristic[J]. Journal of Highway & Transportation Research & Development, 2011, 28(7):25-29.