冰水堆積土路基壓縮特性研究

侯春營　羅利娟

[摘要]為節(jié)約成本，利用樂雅高速沿線分布的冰水堆積土填筑路堤，需對冰水堆積土的級配、壓實性能和沉降規(guī)律等路用性質(zhì)進行研究。利用顆粒分析，重型擊實，滲透試驗等室內(nèi)試驗對冰水堆積土的填料可行性進行了分析，采用有限元軟件MIDAS模擬計算了樂雅高速典型斷面，對冰水堆積土的填筑方案進行了對比分析，在此基礎(chǔ)上研究了冰水堆積土路堤的沉降規(guī)律。研究結(jié)果表明采用夾層法后冰水堆積土可以用于填筑路堤。

[關(guān)鍵詞]冰水堆積土;壓實性;沉降;有限元模擬 文章編號：2095 -4085 （2019） 04 -0005 -03

冰水堆積土是由于冰川的刨蝕作用和搬運作用最終沉積下來而形成的一種土，在中國西南地區(qū)的高山、極高山以及周邊地區(qū)有一定分布。從工程分類上冰水堆積土一般屬于巨粒土、塊石土或碎石土[2]。各地冰水堆積土的顆粒組成和成分并不一致，有較大變化，其級配與壓縮性質(zhì)與工程填料要求存在一定差異，因此在條件允許情況下很少用于填方工程[3]。樂雅高速公路有大量填方工程，對填方土料有極大的需求量。對于這種情況，工程上通常采取“因地制宜、就地取材”原則就近解決，因此樂雅高速沿線附近廣泛分布的冰水堆積土就得到了重視。為了能夠應(yīng)用冰水堆積土填筑路堤，就必須對其路用特性和壓實性等進行研究，明確其路用屬性，并在此基礎(chǔ)上進一步研究冰水堆積土填筑路堤后的沉降規(guī)律。

冰水堆積土在我國的應(yīng)用極少，在工程上作為路基填料的應(yīng)用僅有與樂雅高速公路情況類似的雅瀘高速，相關(guān)理論研究也不充分。張雙永，呂大偉等[4-7]通過現(xiàn)場勘查和室內(nèi)外試驗，對冰水堆積土進行了相應(yīng)研究。目前其在高速公路上的應(yīng)用還較少，且由于冰水堆積土構(gòu)成的多變性可以借鑒的經(jīng)驗也不多，需要展開進一步的研究。為了利用樂雅高速沿線分布的冰水堆積土作為路基填料，需要對其組成，級配，壓實性及填筑后沉降等相關(guān)問題進行研究。本文在分析樂雅高速沿線分布的冰水堆積土組成，級配的基礎(chǔ)上，重點研究冰水堆積土路堤的可行性填筑方案，并借助有限元手段對其沉降規(guī)律進行研究。

1 冰水堆積土填料性質(zhì)

經(jīng)過前期調(diào)研發(fā)現(xiàn)沿線冰水堆積土主要呈兩種形態(tài)，第一種的主要成分是高液限粘土，含礫粘土，其中黏土含量占80%左右，且含水量高達40%左右，無法作路基填料。第二種主要以卵石質(zhì)粘土組成，厚度4m～ 28m。卵石成分以花崗巖，變質(zhì)砂巖為主，多呈強～全風化狀態(tài)，卵礫石占22%～ 43%，含水量30%左右，該冰水堆積層經(jīng)過處理后可以作路基填料。

通過室內(nèi)試驗確定，樂雅高速沿線第二種代表性冰水堆積土土樣含水率范圍20. 3%—27. 9%，經(jīng)重型擊實試驗可得填料最佳含水量為22. 3%時，最大干密度為1. 86g/cm3。對代表性土樣進行了顆粒分析試驗，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)冰水堆積土樣粗顆粒含量和細顆粒含量都占有較大比例，但是中間粒徑含量較少。通過滲透試驗測定冰水堆積土試樣的滲透系數(shù)為=4. 21 xl0 -7cm/s。5.Omm以下含量超過62. 82%，表示細顆粒含量較大，土樣排水不暢。綜合分析可知，樂雅路沿線冰水堆積土不適宜直接作為高速公路路基填料。

2冰水堆積土路堤填筑方案

為了實現(xiàn)冰水堆積土填筑路堤必須對冰水堆積土采用特殊施工方法，即夾層法。具體方法如下。在路堤填筑時，首先填筑一層砂礫石用以提高路堤填土的排水性能，同時改良冰水堆積土的壓實性能。第二層填筑冰水堆積土，并以此類推。采用夾層法填筑路堤可以為冰水堆積土提供良好的排水通道，實現(xiàn)較好的壓實效果，降低工后沉降，以滿足高速公路的沉降要求。但是由于冰水堆積土的工程應(yīng)用經(jīng)驗較少，還需要對路堤的填筑厚度進行深入分析以達到較好的施工效果。

為了研究冰水堆積土的合理填筑厚度及其沉降規(guī)律，采用大型有限元軟件MIDAS進行模擬計算，并在此基礎(chǔ)上對填筑后的路堤的沉降規(guī)律進行研究。

2.1模型的構(gòu)建

高速公路呈帶狀分布，所以選取樂雅高速的一個典型斷面l延米長為原型進行分析，將復雜的三維問題轉(zhuǎn)化為二維平面問題，以典型斷面的變形特性分析路堤整體的沉降變形特性。通過分析樂雅高速幾個斷面，最終選取的代表性路堤為填高lOm、填方路堤頂部寬度為28m，填方路堤底面的寬度為52m。邊坡坡度1：1.5。根據(jù)相關(guān)模擬計算經(jīng)驗，地基厚度可以按照地基壓縮層厚度取值即3倍路堤高度30m，模擬計算寬度取3倍路堤底面寬度即156m。邊界條件如下。地基底面約束X方向和Z方向，Y方向自由，地基兩側(cè)約束相同。網(wǎng)格劃分采用面映射網(wǎng)格劃分，其中單元采用PLANE42平面單元。根據(jù)地勘報告和室內(nèi)試驗結(jié)果，冰水堆積土計算參數(shù)：重度20kN/m3，E為30MPa，c取55kPa，ψ取18°砂礫石層計算參數(shù)：重度25 kN/m3.E為28MPa，c取6kPa，ψ取36°。地基土計算參數(shù)：重度19 kN/m3，E為17MPa，c取llkPa，‘D取130。

為明確冰水堆積土的壓實性質(zhì)以及冰水堆積土夾層填筑砂礫石的壓實性質(zhì)，共進行三組模擬計算，分別為冰水堆積土層30cm厚+砂礫石層30cm厚，冰水堆積土層50cm厚+砂礫石層50cm厚。

2.2結(jié)果分析

模擬計算結(jié)果如圖1、圖2所示。

從圖1-2可以看到，路基的最大沉降均發(fā)生在路基中線位置，從路基中線到路肩沉降量略有減小。采用冰水堆積土填筑路堤最大沉降量為45cm，各層土的沉降量較為一致但層與層之間的沉降又一定的差距，這是因為冰水堆積土中以粗顆粒為主，包含有一定細顆粒，缺少中間粒徑導致其壓實性能不好，填筑路堤后產(chǎn)生的較大的沉降。與冰水堆積土填筑路堤類似，采用砂礫石50cm厚夾冰水堆積土50cm的填筑方法壓實效果也并不太好，各層土之間的沉降量仍然有一定差距。每層填筑30cm最大路基沉降約為25.08cm，各層土沉降很均勻，是填筑密實的表現(xiàn)。這是因為砂礫石層不但改良了冰水堆積土的級配情況為冰水堆積土層提供了良好的排水通道，為冰水堆積土層的固結(jié)沉降提供了有利條件。

根據(jù)以上分析，可以發(fā)現(xiàn)按照冰水堆積土層30cm厚+砂礫石層30cm厚的填筑方法填筑的路堤具有較好的壓實性，沉降量較小，滿足規(guī)范要求。3路基沉降規(guī)律分析

工后沉降規(guī)律分析選取模型為冰水堆積土層30cm厚+砂礫石層30cm厚的模型，沉降模擬時間為一年，荷載因子為0. 25。沉降圖如圖3-6所示。

從圖5-6可以看出，路基填筑完成后的工后沉降初期前90d路堤發(fā)展較快，沉降速率約為0.22mm/d一0.34mm/d。超過90d以后，路堤的沉降速率迅速降低并趨于平緩。90d以后路堤沉降速率大約在0. OOlmm/d～0.002mm/d之間，

并且隨著時間的增加逐漸降低，270d以后沉降量基本穩(wěn)定，沉降速率基本趨于零。90d工后沉降大約28cm，180d工后沉降大約29cm，一年以后沉降量約為30cm，且基本穩(wěn)定。說明固結(jié)隨著時間的變化開始較快是因為土中的孔隙水壓力通過下層砂礫石中的通道迅速排出，沉降較快，當孔隙水壓力完全消散固結(jié)完成，沉降基本不再變化，此時可以進行路基上部施工。

4結(jié)論

1.采用MIDAS軟件對冰水堆積土填筑路基的幾種方法進行了模擬分析，分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)冰水堆積土層30cm厚+砂礫石層30cm厚的夾層法填筑路堤可以達到較好的壓實性，能夠作為路堤填料使用。

2.冰水堆積土層30cm厚+砂礫石層30cm厚夾層法填筑路堤沉降規(guī)律與一般路堤規(guī)律相似，經(jīng)一年沉降后能基本穩(wěn)定，沉降量小于30cm，滿足施工要求。

參考文獻：

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