潮濕多雨地區(qū)壓實度對路堤沉降和穩(wěn)定性的影響

■陳秀強(qiáng)

（1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所；2.福建省公路、水運工程重點實驗室，福州　350004）

潮濕多雨地區(qū)壓實度對路堤沉降和穩(wěn)定性的影響

■陳秀強(qiáng)1，2

（1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所；2.福建省公路、水運工程重點實驗室，福州350004）

針對潮濕多雨地區(qū)路基土壓實度難以符合規(guī)范要求的特點，依托寧德京臺高速公路A3合同段路基工程，采用GeoStudio有限元法對非飽和土填筑路堤的應(yīng)力和滲流耦合進(jìn)行數(shù)值模擬，分析壓實度對路堤沉降、穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：在滿足路堤沉降變形和穩(wěn)定性的前提下，潮濕多雨地區(qū)路基填筑工程可適當(dāng)降低壓實標(biāo)準(zhǔn)。壓實度降低多少，根據(jù)具體工程，通過試驗而定。

壓實度沉降穩(wěn)定性有限元計算分析

1　引言

潮濕多雨地區(qū)是指公路一級區(qū)劃Ⅳ、Ⅴ范圍內(nèi)二級區(qū)劃中的中濕區(qū)和過濕區(qū)。區(qū)內(nèi)主要特點是年降水量大，平均在1000mm以上，潮濕系數(shù)大于2。這些土極難涼曬至標(biāo)準(zhǔn)擊實試驗所得的最佳含水率，很難達(dá)到現(xiàn)行國家、行業(yè)施工規(guī)范要求的壓實度。傳統(tǒng)的處理方法一是棄方，二是添加或水泥、或石灰、或土壤外加劑等加以改進(jìn)利用。兩種方法處理的費用都很大，且不利于環(huán)保，對生態(tài)破壞嚴(yán)重。為此，這些土能否降低標(biāo)準(zhǔn)利用呢？壓實度降低后對路堤沉降、穩(wěn)定性有什么影響呢？

本文依托寧德京臺高速公路A3合同段路基工程，對潮濕多雨地區(qū)典型路基填土，在考慮非飽和路堤填土的應(yīng)力和滲流耦合情況下，采用有限元方法分析壓實度對路堤沉降、路堤穩(wěn)定性的影響。

2　計算模型和參數(shù)

對路堤的有限元計算分析采用的是GeoStudio有限元軟件中的SIGMA/W和SLOPE/W模塊，通過對路堤填筑過程進(jìn)行應(yīng)力-滲流耦合模擬，獲得路堤和地基的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，進(jìn)而研究壓實度在各種工況下的變化規(guī)律。

選取不同高度的路堤典型橫剖面進(jìn)行計算。依據(jù)地質(zhì)勘測剖面圖，地表存在約12m深的粘性土，之下為巖基，基巖的變形遠(yuǎn)小于地基粘土，其變形可以忽略。因此路基以下的地基深度取12m，表層3m為坡積粘土，之下9 m為殘積粘土。地基表面從堤腳向兩側(cè)延伸寬度為35m。不同高度路堤的堤頂寬度都為26m。堤高8m以內(nèi)的路堤采用一級1∶1.5的坡比填筑；堤高大于8m的在8m處設(shè)置2m寬的平臺，平臺以下采用1∶1.75的坡比填筑。

分別采用高6m、8m、12m、16m和20m的路堤建立分析模型（初始壓實度都采用93%），研究不同高度的路堤填土（竣工時和路堤沉降穩(wěn)定后）對路堤以下各層壓實度影響。分析時每層的填筑厚度為1m，每3d填筑一層，接著填筑下一層直至路堤頂面。

對于16m和20m路堤，若采用3d填筑1m的施工速度進(jìn)行模擬，由于施工速度較快，孔隙水壓力來不及消散，且路堤較高，填到頂面竣工時的抗滑安全系數(shù)小于1，即路堤會失穩(wěn)，計算所得的變形分布規(guī)律也出現(xiàn)異常，因此最終采用8d填筑1m的填筑速度進(jìn)行模擬。

所建立的分析模型見圖1。每個模型都由逐層填筑的路堤和兩層地基組成。路堤填筑之前地下水位位于地下2m處。地基底面邊界為x和y雙向約束；不透水邊界。地基左右兩側(cè)為x方向約束，允許豎向自由沉降；地下水位以下設(shè)置為已知水頭邊界條件。地基表面和路堤表面都為自由排水邊界。整個路堤和地基剖分為四邊形或三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸約1m。

圖1路堤的計算模型

本次分析對地基和路堤填土都采用非線性彈塑性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。非線性彈塑性本構(gòu)模型與線性彈塑性模型不同之處在于計算中隨著填土高度的不同，考慮填筑土體上覆荷載對土體的模量的影響。為了反映不同深度的土體模量的不同，本次計算采用的彈塑性模型不是理想彈塑性模型，而是非線性摩爾—庫倫彈塑性模型。它與理想彈塑性模型的區(qū)別是土的彈性模量不是常數(shù)，是隨土體應(yīng)力而變化的變量，可以通過已有的非線性彈性本構(gòu)模型的思路求得。本次計算采用的彈性模量的計算公式如下：式中，σ1為大主應(yīng)力；K為模量系數(shù)；n為模量指數(shù)。由上式可知，土體的彈性模量是隨上覆豎向應(yīng)力而變化的函數(shù)，即模型隨上覆土層厚度的增大而增大。

路堤填土的計算參數(shù)都由室內(nèi)試驗獲取，地基的計算參數(shù)參考地勘報告中鉆孔取樣的數(shù)據(jù)獲取。滲流分析時采用飽與非飽和滲流方程，非飽和分析需用的土—水特征曲線依據(jù)填土的級配曲線估算，非飽和滲透函數(shù)由土—水特征曲線估算。不同壓實度、不同含水率的路堤填土及地基土坡積和殘積粘土的計算參數(shù)如表1所示。

表1　路堤填土和地基土的計算參數(shù)

3　壓實度計算方法

路堤的填筑施工采用每層1m進(jìn)行填筑模擬，考慮到實際施工每層一般為30～40cm，則1m厚度分3層填筑，按照實際每天填筑1層考慮，則連續(xù)施工時1m的厚度填筑時間為3d。施工結(jié)束后待沉降穩(wěn)定后施加行車荷載。沉降穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)為10d的地表沉降量＜1mm。

壓實度的計算可通過應(yīng)力應(yīng)變分析后的體積應(yīng)變求得。路堤每層的初始壓實度、初始體積和密度已知，在固結(jié)過程中土體的土粒質(zhì)量不變，可由下式求得土體的體積變化：

式中，εv為體積應(yīng)變，此參數(shù)可以直接由有限元分析結(jié)果提?。籚0為初始體積。由此可求得壓實變形之后土體的干密度：

式中，Ms為土粒質(zhì)量；V為壓實變形之后土體的體積；ρd0為土體初始干密度。最終可以求得壓實變形之后土體的壓實度Dc和壓實度變化量ΔDc：

式中，ρdmax為土體的最大干密度；Dc0為土體填筑時的初始壓實度。

4　計算結(jié)果及分析

4.1路堤壓實度對沉降的影響

圖2為路堤的最大沉降量和堤身壓縮量隨壓實度的變化曲線。由圖可知，除剛竣工時外，路堤的最大沉降量都隨壓實度的增大而減小。這是由于壓實度越大，路堤填土越硬，越不易壓縮?？⒐r，路堤的最大沉降量隨壓實度的增大而略微增大，這主要是由于壓實度較大的路堤填土的密度較大，致使地基的變形較大，竣工時地基的變形比堤身壓縮對總沉降量的影響更大，因此，最大沉降量隨壓實度的增大而增大。

由圖可知，在路堤填筑和運行的各個階段堤身的最大壓縮量都隨填土壓實度的增大而減小，這是由于堤身的壓縮直接與土體的變形模量有關(guān)，模量越大，壓縮變形越小。由表1試驗所得的性質(zhì)參數(shù)可知，填土的變形模量隨壓實度的增大而增大，因此，填土的壓縮量隨壓實度的增大而減小。

圖2　路堤的最大沉降量和堤身壓縮量隨壓實度的變化曲線

圖3為路堤的最大沉降量隨平均壓實度增量的變化曲線。由圖可知，各種情況下，路堤的最大沉降量都隨平均壓實度增量的增大而增大，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。說明路堤壓實度的增大必然造成路堤的沉降量增大，反之亦然。

圖3　路堤的最大沉降量和堤身壓縮量隨壓實度增量的變化曲線

由圖可看出，路堤高度的變化對壓實度和沉降量的影響都很大，最大沉降量隨平均壓實度增量的增大而增大的幅度較大。這是由于路堤填土的自重是路堤發(fā)生沉降變形的主要荷載，因此，路堤的沉降量和壓實度都對堤高很敏感。施工間歇時間對壓實度的影響較大，但沉降量、特別是沉降穩(wěn)定后的沉降量隨施工間歇時間的增大而增大的幅度有限。含水率的不同對壓實度和沉降量的影響都很有限，兩者都在較小的范圍變化。

6.2路堤壓實度對穩(wěn)定性的影響

圖4為路堤的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨壓實度的變化曲線。由圖可知，路堤的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)在各個階段隨壓實度變化的規(guī)律不同?？⒐r，路堤的穩(wěn)定性隨壓實度的增大先增大后減小，壓實度為90%的路堤的穩(wěn)定性最高。這是由填土的強(qiáng)度以及滲透性隨壓實度的變化決定的。壓實度為85%的路堤填土的強(qiáng)度最低，因此穩(wěn)定性最低。雖然壓實度為93%的路堤填土的強(qiáng)度最大，但由于其透水性最弱，施工過程中孔隙水水壓力消散最慢，浸潤線最高，因此，其穩(wěn)定性低于壓實度90%的路堤。

當(dāng)沉降穩(wěn)定時，路堤的穩(wěn)定性隨壓實度的增大有增大的趨勢，但壓實度從90%增大到93%時，穩(wěn)定性隨壓實度未顯示明顯的增長，壓實度為93%的路堤的穩(wěn)定性與90%的路堤相當(dāng)。這是由于沉降穩(wěn)定時，雖然壓實度為93%的路堤填土的強(qiáng)度較大，但其密度也較大，由重力產(chǎn)生的下滑力增量與由強(qiáng)度產(chǎn)生的抗滑力增量相比，抗滑力增量不占優(yōu)勢，因此，壓實度為93%的路堤的穩(wěn)定性并不比壓實度90%的路堤大。

施加行車荷載后，路堤的穩(wěn)定性隨壓實度的增大而增大。原因是施加行車荷載后，各壓實度路堤的穩(wěn)定性都降低，壓實度93%的路堤與90%的路堤相比，增加了相同的行車荷載，即下滑力增量相同，但壓實度93%路堤填土的強(qiáng)度較高，能提供更大的抗滑力增量，因此，壓實度為93%路堤的穩(wěn)定性比沉降穩(wěn)定時降低更少，最終其穩(wěn)定性高于90%的路堤。

由圖4中三條曲線的對比可知，雖然三個階段路堤的穩(wěn)定性隨壓實度的變化規(guī)律不同，但路堤的穩(wěn)定性隨時間的變化規(guī)律是相同的，即竣工時穩(wěn)定性最低，沉降穩(wěn)定時穩(wěn)定性最高，施加行車荷載后穩(wěn)定性比沉降穩(wěn)定時低，但仍高于竣工時的結(jié)果?？梢?，當(dāng)路堤填土的透水性較弱時，路堤的穩(wěn)定性在竣工時是最低的。因為此時由于路堤的不斷填筑，由填土自重產(chǎn)生的超孔隙水壓力不能及時消散，竣工時達(dá)到最大值，故竣工時路堤的穩(wěn)定性最低。

圖5為路堤的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨平均壓實度增量的變化曲線。考慮到不同堤高和施加荷載后路堤的穩(wěn)定性不僅受路堤壓實度的影響，更重要的是受到直接的荷載作用，因此，與僅有壓實度變化情況下路堤的穩(wěn)定性變化無可比性，因此圖中都未給出不同堤高和施加荷載的情況。

由圖可看出，施工間歇時間不同和含水率不同的路堤的穩(wěn)定性隨壓實度增量的增大而變化的規(guī)律完全相反。對于施工間歇不同的路堤來說，填土的強(qiáng)度參數(shù)相同，施工間歇時間僅影響填土的固結(jié)過程，不影響其強(qiáng)度?？⒐r，路堤的穩(wěn)定性隨著壓實度增量的增大明顯提高，原因是壓實度增量越大，路堤的固結(jié)程度就越高，孔隙水壓力消散程度也就越高，因此，路堤的穩(wěn)定性隨壓實度增量的增大明顯增大。當(dāng)沉降穩(wěn)定時，路堤的穩(wěn)定性仍隨壓實度的增大而略微增大，但此時壓實度增量的影響遠(yuǎn)小于竣工時。

圖4　路堤抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨壓實度的變化曲線

圖5　路堤的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨壓實度增量的變化曲線

對于不同含水率填土路堤，其穩(wěn)定性隨壓實度增量的增大基本呈線性顯著增大。原因是壓實度增量較大的土體的含水率較高，其強(qiáng)度參數(shù)較低，因此，壓實度增量較大的路堤的穩(wěn)定性較低。這說明若其它因素相同，壓實度增量對路堤穩(wěn)定性的影響很有限，若填土的強(qiáng)度不同，則路堤的穩(wěn)定性主要由路堤填土的強(qiáng)度控制。

7　總結(jié)

由不同初始壓實度路堤施工、運行過程的有限元數(shù)值模擬以及各種情況下路堤填土的壓實度增量與路堤最大沉降量和穩(wěn)定性的相互關(guān)系的分析結(jié)果可知：

（1）竣工時，路堤的最大沉降量隨路堤填土的壓實度的增大而略微增大；沉降穩(wěn)定時和行車荷載施加后路堤的最大沉降量都隨壓實度的增大而減小。在路堤填筑和運行的各個階段堤身的最大壓縮量都隨填土壓實度的增大而減小。

（2）各種情況下，路堤的最大沉降量都隨平均壓實度增量的增大而增大，說明路堤壓實度的增大必然造成路堤的沉降量增大，反之亦然。

（3）路堤填土初始壓實度對路堤穩(wěn)定性的影響除與路堤填土的強(qiáng)度有關(guān)外，還與施工過程中孔隙水壓力的消散與否、壓實度對土體密度的影響等因素有關(guān)。施工和運行的各個階段，當(dāng)填土的初始壓實度由85%增大到90%時，路堤的穩(wěn)定性都增大。但壓實度從90%增大到93%時，竣工時路堤的穩(wěn)定性隨壓實度的增大降低，沉降穩(wěn)定時路堤的穩(wěn)定性不變，行車后路堤的穩(wěn)定性增大。

（4）由不同施工間歇時間的路堤的穩(wěn)定性與壓實度增量的關(guān)系可知，穩(wěn)定性隨壓實度增量的增大略微增大，壓實度增量對穩(wěn)定性的影響很有限。對于強(qiáng)度參數(shù)不同（含水率不同）的填土路堤而言，施工和運行后壓實度變化范圍較小，但路堤的穩(wěn)定性變化很大，分析可知路堤的穩(wěn)定性主要由填土的強(qiáng)度控制。

綜上所述，在滿足路堤沉降變形和穩(wěn)定性的前提下，潮濕多雨地區(qū)路基填筑工程可適當(dāng)降低壓實標(biāo)準(zhǔn)。壓實度降低多少，根據(jù)具體工程，通過試驗而定。

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