■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(yùn)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州　350004）

潮濕多雨地區(qū)壓實(shí)度對(duì)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(yùn)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州350004）

針對(duì)潮濕多雨地區(qū)路基土壓實(shí)度難以符合規(guī)范要求的特點(diǎn)，依托寧德京臺(tái)高速公路A3合同段路基工程，采用GeoStudio有限元法對(duì)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(shí)度對(duì)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(shí)標(biāo)準(zhǔn)。壓實(shí)度降低多少，根據(jù)具體工程，通過(guò)試驗(yàn)而定。

壓實(shí)度沉降穩(wěn)定性有限元計(jì)算分析

1　引言

潮濕多雨地區(qū)是指公路一級(jí)區(qū)劃Ⅳ、Ⅴ范圍內(nèi)二級(jí)區(qū)劃中的中濕區(qū)和過(guò)濕區(qū)。區(qū)內(nèi)主要特點(diǎn)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(shí)試驗(yàn)所得的最佳含水率，很難達(dá)到現(xiàn)行國(guó)家、行業(yè)施工規(guī)范要求的壓實(shí)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(fèi)用都很大，且不利于環(huán)保，對(duì)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(shí)度降低后對(duì)路堤沉降、穩(wěn)定性有什么影響呢？

本文依托寧德京臺(tái)高速公路A3合同段路基工程，對(duì)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(shí)度對(duì)路堤沉降、路堤穩(wěn)定性的影響。

2　計(jì)算模型和參數(shù)

對(duì)路堤的有限元計(jì)算分析采用的是GeoStudio有限元軟件中的SIGMA/W和SLOPE/W模塊，通過(guò)對(duì)路堤填筑過(guò)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(shí)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(jì)算。依據(jù)地質(zhì)勘測(cè)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(jí)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(tái)，平臺(tái)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?jí)簩?shí)度都采用93%），研究不同高度的路堤填土（竣工時(shí)和路堤沉降穩(wěn)定后）對(duì)路堤以下各層壓實(shí)度影響。分析時(shí)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(duì)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(lái)不及消散，且路堤較高，填到頂面竣工時(shí)的抗滑安全系數(shù)小于1，即路堤會(huì)失穩(wěn)，計(jì)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(gè)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(gè)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(jì)算模型

本次分析對(duì)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(jì)算中隨著填土高度的不同，考慮填筑土體上覆荷載對(duì)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(jì)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(kù)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(guò)已有的非線性彈性本構(gòu)模型的思路求得。本次計(jì)算采用的彈性模量的計(jì)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(jì)算參數(shù)都由室內(nèi)試驗(yàn)獲取，地基的計(jì)算參數(shù)參考地勘報(bào)告中鉆孔取樣的數(shù)據(jù)獲取。滲流分析時(shí)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(jí)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(shí)度、不同含水率的路堤填土及地基土坡積和殘積粘土的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1　路堤填土和地基土的計(jì)算參數(shù)

3　壓實(shí)度計(jì)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(shí)際施工每層一般為30～40cm，則1m厚度分3層填筑，按照實(shí)際每天填筑1層考慮，則連續(xù)施工時(shí)1m的厚度填筑時(shí)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(shí)度的計(jì)算可通過(guò)應(yīng)力應(yīng)變分析后的體積應(yīng)變求得。路堤每層的初始?jí)簩?shí)度、初始體積和密度已知，在固結(jié)過(guò)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??；V0為初始體積。由此可求得壓實(shí)變形之后土體的干密度：

式中，Ms為土粒質(zhì)量；V為壓實(shí)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(shí)變形之后土體的壓實(shí)度Dc和壓實(shí)度變化量ΔDc：

式中，ρdmax為土體的最大干密度；Dc0為土體填筑時(shí)的初始?jí)簩?shí)度。

4　計(jì)算結(jié)果及分析

4.1路堤壓實(shí)度對(duì)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(shí)度的變化曲線。由圖可知，除剛竣工時(shí)外，路堤的最大沉降量都隨壓實(shí)度的增大而減小。這是由于壓實(shí)度越大，路堤填土越硬，越不易壓縮?？⒐r(shí)，路堤的最大沉降量隨壓實(shí)度的增大而略微增大，這主要是由于壓實(shí)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(shí)地基的變形比堤身壓縮對(duì)總沉降量的影響更大，因此，最大沉降量隨壓實(shí)度的增大而增大。

由圖可知，在路堤填筑和運(yùn)行的各個(gè)階段堤身的最大壓縮量都隨填土壓實(shí)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(yàn)所得的性質(zhì)參數(shù)可知，填土的變形模量隨壓實(shí)度的增大而增大，因此，填土的壓縮量隨壓實(shí)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(shí)度的變化曲線

圖3為路堤的最大沉降量隨平均壓實(shí)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(shí)度增量的增大而增大，兩者呈正相關(guān)關(guān)系。說(shuō)明路堤壓實(shí)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(shí)度增量的變化曲線

由圖可看出，路堤高度的變化對(duì)壓實(shí)度和沉降量的影響都很大，最大沉降量隨平均壓實(shí)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(shí)度都對(duì)堤高很敏感。施工間歇時(shí)間對(duì)壓實(shí)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(shí)間的增大而增大的幅度有限。含水率的不同對(duì)壓實(shí)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(shí)度對(duì)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(shí)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(gè)階段隨壓實(shí)度變化的規(guī)律不同?？⒐r(shí)，路堤的穩(wěn)定性隨壓實(shí)度的增大先增大后減小，壓實(shí)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(shí)度的變化決定的。壓實(shí)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(shí)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(guò)程中孔隙水水壓力消散最慢，浸潤(rùn)線最高，因此，其穩(wěn)定性低于壓實(shí)度90%的路堤。

當(dāng)沉降穩(wěn)定時(shí)，路堤的穩(wěn)定性隨壓實(shí)度的增大有增大的趨勢(shì)，但壓實(shí)度從90%增大到93%時(shí)，穩(wěn)定性隨壓實(shí)度未顯示明顯的增長(zhǎng)，壓實(shí)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(shí)，雖然壓實(shí)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(shì)，因此，壓實(shí)度為93%的路堤的穩(wěn)定性并不比壓實(shí)度90%的路堤大。

施加行車荷載后，路堤的穩(wěn)定性隨壓實(shí)度的增大而增大。原因是施加行車荷載后，各壓實(shí)度路堤的穩(wěn)定性都降低，壓實(shí)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(shí)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(shí)度為93%路堤的穩(wěn)定性比沉降穩(wěn)定時(shí)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(duì)比可知，雖然三個(gè)階段路堤的穩(wěn)定性隨壓實(shí)度的變化規(guī)律不同，但路堤的穩(wěn)定性隨時(shí)間的變化規(guī)律是相同的，即竣工時(shí)穩(wěn)定性最低，沉降穩(wěn)定時(shí)穩(wěn)定性最高，施加行車荷載后穩(wěn)定性比沉降穩(wěn)定時(shí)低，但仍高于竣工時(shí)的結(jié)果。可見，當(dāng)路堤填土的透水性較弱時(shí)，路堤的穩(wěn)定性在竣工時(shí)是最低的。因?yàn)榇藭r(shí)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(shí)消散，竣工時(shí)達(dá)到最大值，故竣工時(shí)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(shí)度增量的變化曲線?？紤]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(shí)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(shí)度變化情況下路堤的穩(wěn)定性變化無(wú)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(shí)間不同和含水率不同的路堤的穩(wěn)定性隨壓實(shí)度增量的增大而變化的規(guī)律完全相反。對(duì)于施工間歇不同的路堤來(lái)說(shuō)，填土的強(qiáng)度參數(shù)相同，施工間歇時(shí)間僅影響填土的固結(jié)過(guò)程，不影響其強(qiáng)度?？⒐r(shí)，路堤的穩(wěn)定性隨著壓實(shí)度增量的增大明顯提高，原因是壓實(shí)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(shí)度增量的增大明顯增大。當(dāng)沉降穩(wěn)定時(shí)，路堤的穩(wěn)定性仍隨壓實(shí)度的增大而略微增大，但此時(shí)壓實(shí)度增量的影響遠(yuǎn)小于竣工時(shí)。

圖4　路堤抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨壓實(shí)度的變化曲線

圖5　路堤的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)隨壓實(shí)度增量的變化曲線

對(duì)于不同含水率填土路堤，其穩(wěn)定性隨壓實(shí)度增量的增大基本呈線性顯著增大。原因是壓實(shí)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(shí)度增量較大的路堤的穩(wěn)定性較低。這說(shuō)明若其它因素相同，壓實(shí)度增量對(duì)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?jí)簩?shí)度路堤施工、運(yùn)行過(guò)程的有限元數(shù)值模擬以及各種情況下路堤填土的壓實(shí)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(shí)，路堤的最大沉降量隨路堤填土的壓實(shí)度的增大而略微增大；沉降穩(wěn)定時(shí)和行車荷載施加后路堤的最大沉降量都隨壓實(shí)度的增大而減小。在路堤填筑和運(yùn)行的各個(gè)階段堤身的最大壓縮量都隨填土壓實(shí)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(shí)度增量的增大而增大，說(shuō)明路堤壓實(shí)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?jí)簩?shí)度對(duì)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(guò)程中孔隙水壓力的消散與否、壓實(shí)度對(duì)土體密度的影響等因素有關(guān)。施工和運(yùn)行的各個(gè)階段，當(dāng)填土的初始?jí)簩?shí)度由85%增大到90%時(shí)，路堤的穩(wěn)定性都增大。但壓實(shí)度從90%增大到93%時(shí)，竣工時(shí)路堤的穩(wěn)定性隨壓實(shí)度的增大降低，沉降穩(wěn)定時(shí)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(shí)間的路堤的穩(wěn)定性與壓實(shí)度增量的關(guān)系可知，穩(wěn)定性隨壓實(shí)度增量的增大略微增大，壓實(shí)度增量對(duì)穩(wěn)定性的影響很有限。對(duì)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(yùn)行后壓實(shí)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(shí)標(biāo)準(zhǔn)。壓實(shí)度降低多少，根據(jù)具體工程，通過(guò)試驗(yàn)而定。

［1］交通部公路科學(xué)研究院.JTG E40-2007，公路土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.北京：人民交通出版社，2007.

［2］中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院.JTG D30-2004，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］中交第一公路工程局有限公司.JTG F10-2006，公路路基施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2006.

［4］中華人民共和國(guó)水利部.GB/T 50123-1999，土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，1999.

［5］陳治伙.高液限土路用性能規(guī)律及其工程應(yīng)用［J］.福建交通科技，2011，（3）：145-147.

［6］馬菊英.高液限土在京臺(tái)線建甌至閩侯高速公路寧德段直接填筑利用研究［J］.福建交通科技，2013，（5）：1-5.

［7］庫(kù)克.有限元分析的概念與應(yīng)用.西安：西安交通大學(xué)出版社，2007.