高速公路浸水路基沉降特性及力學(xué)響應(yīng)

李皓，張永圣，劉建樹(shù)

（1 山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2 山東省公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250102）

我國(guó)高速公路建設(shè)發(fā)展迅速，截至2021 年年底，高速公路總里程達(dá)到16.90 萬(wàn)公里，比2020 年增加8090 公里。我國(guó)降雨量東部多，西部少，雨量較多的地區(qū)公路常年處于濕潤(rùn)或者浸水狀態(tài)[1]。浸水路基是指路基本體一側(cè)或兩側(cè)經(jīng)受長(zhǎng)期或短期浸水的路基，浸水路基在水流侵蝕、軟化等作用下路基會(huì)變得濕潤(rùn)，同時(shí)受浮腳水位上升、下降的影響，路基填料中細(xì)小顆粒流失，導(dǎo)致路基不穩(wěn)定性增加，邊緣崩潰，產(chǎn)生較大工程問(wèn)題[2]。

目前，在高速公路建設(shè)中，路基會(huì)產(chǎn)生一定的沉降，浸水路基更容易產(chǎn)生差異沉降。國(guó)內(nèi)眾多學(xué)者對(duì)路基沉降機(jī)理和力學(xué)規(guī)律進(jìn)行了研究，利用計(jì)算機(jī)軟件，通過(guò)建立非飽和土路基沉降預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)不同飽和度地區(qū)的路基沉降變化值[3]。通過(guò)ABAQUS 有限元數(shù)值模擬分析土巖組合地基及換填處理后地基沉降變形特性[4]，以及對(duì)軟基不均勻沉降下的路堤沉降和力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析[5]。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法分析路基在不同工況條件下結(jié)構(gòu)層的受力變形特性[6]。高速公路設(shè)計(jì)速度大，路基產(chǎn)生的差異沉降威脅行車安全、縮短路面使用壽命，增加養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。

本研究以明村至董家口公路工程MDSG-2 合同段路基工程為依托，根據(jù)實(shí)體工況建立與明董高速項(xiàng)目填方地段浸水路基一致的有限元二維模型。通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)路基沉降、力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行分析，研究浸水高度、路基高度、路基填料特性對(duì)其影響，為浸水路基實(shí)體工程設(shè)計(jì)與施工提供借鑒。

1 工程概況

文章以明村至董家口公路工程MDSG-2 合同段路基工程為例，該工程以農(nóng)田、苗圃為主，地表水位較高（與原地表相對(duì)高差僅50～80cm），水系分散，自然水溝較多，汛期洪水量大，地表徑流密布，多段路基為常年浸水路基。

2 有限元模型

2.1 模型概述

在前期充分調(diào)研基礎(chǔ)上，確定浸水路基的基本設(shè)計(jì)方案，路基邊坡為二級(jí)邊坡，上下級(jí)邊坡坡度均為1：1.5。依托明董高速實(shí)體工程，利用ABAQUS 有限元軟件建立二維數(shù)值模型，模型包括路基與地基，地基高10m，路基高12m，均為粉質(zhì)粘土。路基每級(jí)邊坡路基高6m，總寬度為34.5m，路基底部寬81.5m。地基和路基均采用CPE4P 劃分網(wǎng)格，模擬左側(cè)水位循環(huán)升降，模擬工況為填筑后365d 浸水路基的模型。

2.2 模型參數(shù)

通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)對(duì)明董高速M(fèi)DSG-2 合同段浸水路基回填土基本性能進(jìn)行測(cè)試，路基回填土最大干密度為2.02g/cm3，最佳含水率8.5%，液限29.4%，塑限16.2%，CBR5.6%，彈性模量51.5Mpa。

利用ABAQUS 中的Mohr-Coulomb 模型對(duì)路基及地基材料進(jìn)行定義，對(duì)于滲流問(wèn)題，考慮了滲透系數(shù)方程和土水特征曲線兩個(gè)水力學(xué)參數(shù)[7]。在室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，參考相關(guān)文獻(xiàn)確定路基及地基粉質(zhì)粘土的材料參數(shù)，路基填料和粉質(zhì)粘土最大干密度分別為2.02g/cm3和1.64g/cm3，彈性模量為51.5Mpa 和12.5Mpa，泊松比為0.35 和0.30，內(nèi)摩擦角為16°和36°，膨脹角為10°和13°，滲透系數(shù)為1.000×10-4m/day和1.2×10-2m/day。

3 結(jié)果分析

3.1 浸水高度對(duì)路基沉降和力學(xué)響應(yīng)的影響

建立浸水高度分別為0m、2m、4m 及6m 的路基模型，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析。由圖1 可知：未浸水時(shí)路基沉降最小，沉降量為5.1～5.6cm；在沉降初始階段，由于路基左側(cè)浸水多，孔隙水壓力較大，土體吸水膨脹，左端土體有所隆起，沉降值小于右側(cè)，但是隨著水位循環(huán)升降的不斷進(jìn)行，左端土體塑性應(yīng)變逐漸累積，直到最后浸水2m、4m 及6m 時(shí)，浸水側(cè)路基沉降分別達(dá)到6.5cm、7.3cm 及8.2cm，相比未浸水時(shí)沉降分別增加24%、43%及61%。由此可見(jiàn)，在水位循環(huán)升降工況下，浸水高度對(duì)路基沉降影響較大。浸水高度越大，路基沉降越大，并且浸水側(cè)沉降大于未浸水側(cè)沉降。在實(shí)際工程中，可將高速公路浸水一側(cè)積水及時(shí)排出保障路基安全穩(wěn)定。

圖1 浸水高度對(duì)路基沉降的影響

未浸水時(shí)路基兩側(cè)豎向有效應(yīng)力基本一致，浸水高度對(duì)豎向有效應(yīng)力影響較大，浸水后，路基兩側(cè)豎向有效應(yīng)力減小，浸水一側(cè)降幅較大，未浸水一側(cè)降幅較小。浸水高度越大，豎向有效應(yīng)力越小，兩側(cè)豎向有效應(yīng)力差越大。浸水后，浸水側(cè)孔隙水壓力顯著增加，浸水高度對(duì)路基孔隙水壓力影響較大，浸水高度越高，浸水側(cè)孔隙水壓力越大，兩側(cè)孔隙水壓力差也越大。因此為保證高速公路整體安全性，應(yīng)及時(shí)排出浸水一側(cè)的積水。

綜上所述，在水位循環(huán)升降工況下，浸水高度對(duì)路基沉降、豎向有效應(yīng)力和孔隙水壓力有顯著影響。路基沉降、孔隙水壓力呈現(xiàn)為浸水側(cè)大、未浸水側(cè)小。路基土豎向有效應(yīng)力表現(xiàn)為浸水后降低，浸水一側(cè)降幅大于未浸水一側(cè)。其原因是隨著浸水高度增加，水位差增大，土壤原有狀態(tài)發(fā)生改變，物理力學(xué)性能退化。為保證高速公路安全穩(wěn)定，需加強(qiáng)排水設(shè)施，加強(qiáng)浸水一側(cè)路基防護(hù)。

3.2 路基高度對(duì)路基沉降和力學(xué)響應(yīng)的影響

建立浸水高度6m，路基高度分別為8m、10m、12m、14m 及16m 的有限元模型，根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析。路基高度分別為8m、10m、12m、14m 及16m 時(shí)，浸水側(cè)沉降最大值分別為5.3cm、6.7cm、8.2cm、9.6cm 及10.9cm，路基高度越高，沉降越大，兩側(cè)差異沉降也越大，由此可見(jiàn)，路基高度對(duì)路基沉降影響較大。路基高度對(duì)豎向有效應(yīng)力有一定影響，隨著路基高度的增加，路基豎向有效應(yīng)力增大，路基兩側(cè)豎向應(yīng)力整體呈現(xiàn)出浸水側(cè)小遠(yuǎn)側(cè)大的趨勢(shì)。路基高度是路基孔隙水壓力的重要影響因素，隨著路基高度的增加，浸水側(cè)土體所受孔隙水壓力逐漸減小，路基兩側(cè)孔隙水壓力差不斷減小，浸水側(cè)孔隙水壓力大，未浸水側(cè)孔隙水壓力小。

綜上所述，在水位循環(huán)升降工況下，路基高度是影響浸水路基沉降、豎向有效應(yīng)力及孔隙水壓力的重要因素。其原因是是隨著路基高度的增大，路基土體自身重量增加，土體有效應(yīng)力增加，土體產(chǎn)生壓縮變形增大。隨著路基高度的增加，路基沉降增大，豎向有效應(yīng)力增加，孔隙水壓力減小。

3.3 路基土泊松比對(duì)路基沉降和力學(xué)響應(yīng)的影響

建立浸水高度6m、路基高度12m、泊松比分別為0.15、0.2、0.25、0.3、0.35 的有限元模型，根據(jù)結(jié)果分析。隨著泊松比從0.15 增加至0.35，沉降逐級(jí)減小0.1～0.2cm，兩側(cè)沉降差約為1.9cm，路基沉降隨泊松比增大沉降減小，路基沉降整體規(guī)律呈現(xiàn)為浸水側(cè)沉降大于未浸水側(cè)。由此可見(jiàn)，泊松比對(duì)路基橫向沉降有一定影響，但影響較小。不同泊松比豎向有效應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，隨著泊松比增加，路基豎向有效應(yīng)力稍微增加，但變化極小，泊松比對(duì)路基豎向有效應(yīng)力改變影響較小。泊松比增加，孔隙水壓力分布大小基本未變，泊松比對(duì)路基孔隙水壓力基本無(wú)影響。

綜上所述，水位循環(huán)升降工況下，泊松比改變對(duì)路基沉降有一定影響，對(duì)豎向有效應(yīng)力影響較小，對(duì)孔隙水壓力基本無(wú)影響。分析其原因是由于泊松比增大，路基土抵抗變形能力增加，在水侵蝕作用下路基產(chǎn)生的沉降減小。在實(shí)際工程中，高速公路浸水路基可提高土泊松比來(lái)保障浸水路基安全穩(wěn)定。

3.4 路基回彈模量對(duì)路基沉降和力學(xué)響應(yīng)的影響

建立浸水高度6m、路基高度12m、泊松比為0.35、回彈模量分別為20MPa、50MPa、80MPa 及120MPa 的有限元模型，根據(jù)結(jié)果分析。

回彈模量分別為20MPa、50MPa、80MPa 及120MPa 時(shí)，最大沉降分別為10.1cm、8.2cm、7.7cm 及7.4cm，最大沉降位置靠近浸水側(cè)；回彈模量為20MPa時(shí)整體沉降最大，增至50MPa 時(shí)沉降明顯減小，最大減小18.8%；回彈模量≥50MPa 后沉降減小但程度較低。由此可見(jiàn)，水位升降工況下，回彈模量是路基沉降的重要影響因素?；貜椖Ａ吭酱?，沉降越小，浸水側(cè)路基沉降大于未浸水側(cè)路基沉降。實(shí)際工程可提高路基回彈模量保障工程安全穩(wěn)定。

路基回彈模量對(duì)豎向有效應(yīng)力影響較小，隨著回彈模量的增加路基兩側(cè)豎向有效應(yīng)力變化較小，豎向有效應(yīng)力分布規(guī)律為浸水側(cè)小未浸水側(cè)較大。改變回彈模量，路基孔隙水壓力基本未變，回彈模量對(duì)路基孔隙水壓力基本無(wú)影響。

綜上所述，在水位循環(huán)升降工況下，回彈模量變化對(duì)路基沉降影響較大，對(duì)豎向有效應(yīng)力影響較小，對(duì)孔隙水壓力基本無(wú)影響。分析其原因是路基回彈模量增大，路基的承載力提高，抵抗變形能力增強(qiáng)，路基產(chǎn)生沉降減小。在實(shí)際工程中，高速公路可選用大回彈模量路基來(lái)保障工程安全穩(wěn)定。

4 結(jié)論

通過(guò)研究主要得到以下結(jié)論：

（1）在水位循環(huán)升降工況下，浸水高度、路基高度、路基回彈模量和對(duì)浸水路基沉降影響較大，路基土泊松比對(duì)其影響較小。浸水后土體塑性變形不斷累積，最終沉降整體表現(xiàn)為浸水側(cè)大于未浸水側(cè)；減小浸水高度、增大路基回彈模量及泊松比可減小浸水側(cè)沉降。在實(shí)際應(yīng)用中，適當(dāng)增大路基土模量、提高路基壓實(shí)度可減小路基不均勻沉降。

（2）在水位循環(huán)升降工況下，浸水高度、路基高度對(duì)路基豎向有效應(yīng)力影響較大；路基回彈模量和路基土泊松比對(duì)其影響較??；浸水后路基豎向有效應(yīng)力降低，浸水側(cè)降幅大于未浸水側(cè)。在高速公路中，應(yīng)及時(shí)將浸水一側(cè)積水排出保障路基穩(wěn)定。

（3）在水位循環(huán)升降工況下，浸水高度、路基高度對(duì)路基孔隙水壓力影響較大；路基回彈模量和泊松比對(duì)路基孔隙水壓力基本無(wú)影響；減小浸水高度、邊坡防護(hù)可減小浸水側(cè)孔隙水壓力。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)做好邊坡防護(hù)及排水設(shè)施保障路基穩(wěn)定。