1. 引言
西北黄土地区的基础设施建设开展得如火如荼，在推进基础建设的过程中，“填沟筑路”的情况越来越普遍，因此出现了大量的高填方工程。这些高填方工程造价经济，可以就地取材，能有效的降低建设成本，缩短工期。以定西市通定高速为例，在通定高速的建设中，有些路段需要跨越较深的沟谷，路堤的填方高度可达到数十米。路堤填方高度较高时，往往会伴随着沉降量过大与不均匀沉降的问题 [1]。目前关于高填路堤沉降的相关研究多以数值模拟 [2] [3]、离心模型试验 [4] [5] 以及压缩蠕变试验 [6] [7] 为主，而通过现场实验探究黄土高填路堤沉降规律的相关研究较少。影响路堤沉降的因素很多，如填料性质 [8]、填土高度、地形约束等。本文以通定高速某沟谷区修筑的高填路堤作为研究对象，在该路堤上开展现场实验，监测路堤填料温湿度、沉降量等随时间的变化情况，分析其沉降影响因素，以探究黄土沟谷区高填路堤沉降规律，从而为类似的工程提供有参考价值的试验数据。
2. 工程背景
通定高速起于通渭县平襄镇安堡村，止于安定区称钩驿镇，线路长度为115公里。线路主要处于黄土塬区，区段内风成黄土分布广泛，沟壑纵横，地形破碎，水系树枝状发育，地形地貌复杂。线路两边沟谷发育，在设计流量较小的情况下，部分黄土冲沟仍然出现较深的底部冲切。在工程建设过程中以桥梁为跨越沟谷的主要方式，但受限于路线纵坡的设计要求，ZK61 + 880~ZK61 + 960段需要修建高填方路堤来跨越一个“U”形沟谷，该路堤最大填土高度为27.7 m。路堤采用折线形边坡，边坡高度在8 m以内时，边坡比为1:1.5，边坡高度超过8 m时，边坡比为1:1.75。
3. 现场试验
3.1. 总体试验方案
依托通定高速ZK61 + 880~ZK61 + 960高填方段，选定两个试验断面，A#断面(ZK61 + 900左侧)和B#断面(ZK61 + 950左侧)，埋设相关的监测仪器，包括分层沉降管、单点位移沉降仪、温度传感器、水分传感器等，对该黄土沟谷区高填路堤的温度、湿度和沉降等数据进行实时监测。由于整个高填路堤是从最底部的挡土墙开始逐渐往上填筑，所以监测仪器埋设的顺序是先在1号位置(路堤边坡中部)埋设，接着在2号位置(路堤边坡顶部)埋设。在此选定A#断面(ZK61 + 900左侧)，绘制仪器布置图如图1、图2，其中1号位置和2号位置埋设的仪器相同，故不重复标出。
Figure 1. Elevation view of overall monitoring instrument layout of high-filled embankment
图1. 高填路堤整体监测仪器布置立面图
Figure 2. Layout plan of the overall monitoring instrument for the high-filled embankment
图2. 高填路堤整体监测仪器布置平面图
3.2. 实验过程
为了探究高填路堤温度、含水率和沉降随时间变化的情况，在路堤深度方向为1 m、2 m、10 m、20 m处埋设水分传感器，深度方向为5 m、10 m、15 m、20 m处埋设温度传感器；在分层沉降管上，每1 m设置一组沉降磁环，以探究路堤不同填土层的沉降变化情况。
4. 试验结果分析
4.1. 高填方路堤含水率监测
土体含水率升高会改变土体的基质吸力 [9]，从而改变土体强度参数影响高填路堤沉降，因此对路堤进行钻孔取样，每1 m取一个土样进行含水率测定，共测定20组，绘制出图3，同时从2021年1月开始测量路堤内的含水率随时间的变化，监测间隔为2个月。在7月13、14、15日，出现连续强降雨天气，在雨停后立即测量了一次含水率，绘制出图4。
Figure 3. Curve of initial water content of embankment with depth
图3. 路堤初始含水率随深度变化曲线
从图3可以看出，在路堤深度方向，含水率逐渐加大，随深度呈增加趋势。因路堤顶面位置水分蒸发作用较强，因此该处含水率较小。而路堤底部土层接近地下水含量丰富的位置，含水量较高。观察图4可知，路堤含水率随着时间变化而变化，但在深度方向上仍符合初始含水率的分布规律，即随深度呈整体增加趋势。持续强降雨天气对路基深处土体的含水率影响较小，而由于路堤表面的雨水无法及时排走，因此降雨对路堤表面以下0~2 m深度范围内土层的含水率影响较为明显，土层含水率分别升高至31.2%、25.1%，尤其是0~1 m范围内，土体含水率相较降雨前增加了93%，表明持续降雨仅对高填路堤浅层土体的沉降有影响。
Figure 4. Time-dependent curve of water content of embankment
图4. 路堤含水率随时间变化曲线
4.2. 高填方路堤温度监测
从2021年1月4号开始监测路堤温度，绘制出路堤不同深度处的土体温度随时间变化的关系曲线。从图5中可以看到，路堤土体的温度变化趋势与气温变化趋势一致，但是具有滞后性，即路堤土体当下的温度与上一段时间的气温高低相关。相较于气温曲线，路堤土体温度曲线整体上较为平滑，温度差较小，在监测时间段内最高温度与最低温度差值不超过6℃。
Figure 5. Time-dependent curve of soil temperature of embankment
图5. 路堤土体温度随时间变化曲线
在路堤深度方向，深度5 m处温度曲线变化幅度比其它深度更大，10 m、15 m以及20 m处的温度大小值接近，且变化幅度都很小。同时对比路堤不同深度的温度曲线还可以发现，在气温比较低的冬季，越接近地表的土层温度越低，随着深度的增加土体的温度反而逐渐增加，超过一定深度范围后，土体的温度不再增加，稳定在11℃附近，可见极度寒冷天气对路堤土体温度的影响范围有限，因此土中的水不会在较低气温下发生大范围发生冻结，使得土颗粒移动从而造成路基发生隆起。
4.3. 高填方路堤沉降监测
分别对A#断面和B#断面进行时长为180 d的沉降监测，沉降监测结果见表1。
Table 1. Final settlement displacement value
表1. 最终沉降位移值
4.3.1. 工后沉降组成
依据沉降发生的主体分类，路堤沉降可以分为两部分，即原地基沉降和填筑体沉降，分别用S1、S2表示，总沉降量S = S1 + S2。以B#断面为例，用“−”表示土体向下沉降，用“+”表示土体向上隆起，分别作出路堤1、2号位置的沉降量随时间的变化曲线如图6、图7所示。
Figure 6. The curve of the settlement of No. 1 position with time
图6. 1号位置沉降随时间变化曲线
Figure 7. The curve of the settlement of No. 2 position with time
图7. 2号位置沉降随时间变化曲线
结合图6、图7和表1分析，填方体在自重作用下发生的压缩沉降是造成工后沉降的主要原因，约占总沉降量的90%，而原始地基的沉降只占到总沉降的10%左右。同时沉降量受填方高度影响较大，当路堤的填方高度减小时，无论是总体的沉降量，还是原地基沉降占总沉降的比值都会相应减小。从沉降速率来看，路堤沉降速率总体趋势都是随着时间的变化而由大变小。大约在180 d后，随着高填路堤的土体被逐渐压密，其沉降速率趋于一个稳定值。
4.3.2. 各土层沉降量规律
为了研究每层土体的沉降变形规律，以B#断面2号位置为例，把填土高度为28 m的填筑体由下到上分为4层，每层7 m，分层情况如图8，同时绘出不同土层的单位厚度沉降量与时间的关系图，在宏观上比较每一层的沉降规律，见图9。从图中可以看出，单位沉降量从土体第四、三、二、一层依次减小，这与路堤不同土层压缩模量的变化有关。随着填方高度增加，填筑体从上到下各土层受到的重力也会越来越大，自重应力也逐渐增加，使得各土层的固结程度与压缩模量也随之加大。因此第一层的固结压缩程度最高，其压缩模量也最大，单位沉降量最小。第二、三、四层的土体压缩模量依次减小，其单位沉降量依次增大。对比第三、四层土和第一、二层土的最终沉降量，发现仅三、四层土的沉降量就占到了总沉降量的67%，但是其填方高度只占总填方高度的50%，可见填方体的沉降，主要发生在上部土体之中，再一次证明了填方体上部土体的压缩模量小于下部土体。
在填方体各土层的沉降曲线中可以看出，各土层单位厚度沉降曲线大体上可以分为两个阶段，即加速下降阶段(0~100 d)和下降速率趋于平缓阶段(100 d~180 d)，这个特征在第三、四层土中尤为明显。这是因为在0~100 d，由于上覆土层在自重作用下，随着时间增加而被进一步压密；同时受到路堤表面频繁来往的工程车所带来的行车荷载影响，而行车荷载对路堤的影响深度在0~12 m内，刚好位于划分的第三、四层土内，因此可以看到沉降曲线加速下降。在100 d~180 d，外部环境逐渐稳定后，各层土的沉降曲线走向都趋于平稳，填筑体的沉降也逐渐稳定。同时可以看到，40 d~60 d内第四层土单位沉降速率比较平缓，究其原因，该段时间恰逢定西项目冬休的时间，没有施工荷载的作用，且气温在0℃以下。而填筑体浅层土体温度受气温影响较大，而冬季雨雪相对较多，此时土体含水率增加，因此第四层土中的水凝结膨胀，土体颗粒发生相对移动，沉降速度减慢，在对土体进行分层沉降测量时发现0~2 m范围内的土层有轻微向上隆起的现象，60 d后冬休结束，气温升高，沉降继续发生。
Figure 8. Schematic diagram of soil layer stratification
图8. 土层分层示意图
Figure 9. Settlement per unit thickness of each soil layer
图9. 各土层单位厚度沉降量
4.3.3. 路堤沉降与填筑高度关系
从表1可知，填土高度越大，路基总沉降量、填筑体沉降量以及原地基沉降占总体沉降的比例也会越高。令Y为填方体的平均沉降速率，X为填土高度，对Y和X进行线性拟合，结果如图10。
从图中可知，填方体的平均沉降速率Y与填土高度X可用关系式Y = 0.01319X − 0.11192来描述，两者呈高度线性相关，得到拟合线性相关系数R2 = 0.97389。
4.3.4. 路堤沉降与地形关系
本高填路堤修筑于一个“U型”沟谷区，对于A#、B#断面的1号位置，其有着相同的施工工艺与施工条件，由同一个施工队在同一时间施工，但其最终沉降量有所不同，如图11。在B#断面的填方高度比A#断面少0.5 m的情况下，B#断面的沉降量仍比A#断面多7.6%。依据勘测资料绘出地形与测孔布置位置如图12，发现两个断面所处的位置在地形上有所区别，B#断面填筑在有一定坡度的斜坡上，填筑的土体会在斜坡方向有一定量的侧向位移，使得沉降量加大。而A#断面处在一个类似于槽型的沟中，陡峭的侧壁限制了土体的侧向位移，因此沉降量较小。B#断面由于侧向位移较大，土体受剪应力影响向水平方向膨胀，从而产生了附加沉降，因此沉降量较大。对比两个断面的沉降量可知，地形因素可以对填筑体工后沉降量产生较大的影响。
Figure 11. Comparison of settlement at No. 1 position of section A# and B#
图11. A#、B#断面1号位置沉降量对比
Figure 12. Cross-sectional view of topography and measuring point locations
图12. 地形与测点位置横断面图
5. 结论
1) 当出现连续强降雨天气，黄土高填路堤0~2 m深度范围内土体沉降受降雨影响明显。
2) 气温对路堤土层温度的影响程度沿路堤深度方向逐渐降低，若路堤长期处于0℃气温以下，其浅层土体会出现轻微向上隆起的现象，解冻后路堤继续发生沉降。
3) 路堤工后沉降主要来自于填筑体自身的压缩沉降，原始地基沉降仅占总沉降的十分之一；若把路堤的填筑体从下到上分为4层，每层土的单位沉降速率从下到上依次增大，沉降速率在100 d后逐渐趋于稳定。
4) 路堤的工后沉降量受填土高度影响较大，当路堤填筑的高度减小时，总体的沉降量以及原地基沉降量占总沉降量的比值都会相应减小；填土高度和填方体的沉降速率呈高度线性相关关系。
5) 地形对沉降量有着明显的影响，陡峭的侧壁会约束填筑体的侧向位移，减小土体的剪切应力从而减小最终沉降量。