■肖芳芳

（福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所，福州 350004）

不同路堤高度對(duì)路堤沉降及壓實(shí)度的影響分析

■肖芳芳

（福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所，福州 350004）

針對(duì)潮濕多雨地區(qū)路堤土填筑特點(diǎn)，采用GeoStudio有限元軟件對(duì)路堤填筑過(guò)程進(jìn)行應(yīng)力-滲流耦合模擬，研究不同路堤高度下路堤沉降和壓實(shí)度變化規(guī)律，分析結(jié)果可為類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)和施工提供參考。

路堤高度 沉降 壓實(shí)度 有限元

1 引言

福建地處中國(guó)東南部、東海之濱，該地區(qū)廣泛分布著含水率較大的潮濕性土，如高液限粘土、高液限粉土，其具有高含水率、高壓縮性、低強(qiáng)度、低滲透性等特點(diǎn)。在福建高速公路建設(shè)過(guò)程中，潮濕性土普遍存在，該類(lèi)型土用于填筑路堤時(shí)，由于天然含水率高，且所處地區(qū)雨量豐富，含水率難于滿(mǎn)足規(guī)范要求，常導(dǎo)致填方路堤壓實(shí)度達(dá)不到控制標(biāo)準(zhǔn)，路堤工后沉降過(guò)大等問(wèn)題。下面通過(guò)建立有限元模型，模擬不同公路路堤高度情況下潮濕土路堤工后沉降規(guī)律及各層路基土壓實(shí)度變化。

2 計(jì)算模型及邊界條件

本次對(duì)路堤的有限元計(jì)算分析采用的是GeoStudio有限元軟件，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)而研究路堤沉降和壓實(shí)度在各種工況下的變化規(guī)律。

依據(jù)地質(zhì)勘測(cè)資料，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。路堤填筑之前地下水位位于地下2m處。地基表面從堤腳向兩側(cè)延伸寬度為35m。按照雙向四車(chē)道路基寬度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，不同高度路堤的堤頂寬度一般為26m。堤高8m以?xún)?nèi)的路堤采用一級(jí)1∶1.5的坡比；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。

按照分析方案，分別采用高6m、8 m、12 m、16 m和20 m的路堤建立模型（初始?jí)簩?shí)度都采用93%），研究不同路堤高度下完工時(shí)和路堤沉降穩(wěn)定后的路堤沉降規(guī)律和各層壓實(shí)度變化。分析時(shí)每層的填筑厚度為1 m，每3d填筑一層，接著填筑下一層直至路堤頂面。對(duì)于16 m和20 m路堤，若采用3 d填筑1 m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，填到頂面完工時(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8 d填筑1 m的填筑速度進(jìn)行模擬。

所建立的計(jì)算模型如圖 1所示 （圖中為路堤高16m）。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1 m。

圖1 路堤的計(jì)算模型及網(wǎng)格剖分

3 不同高度路堤的沉降變化規(guī)律

計(jì)算結(jié)果分析表明，路堤填筑完工時(shí)，不同高度的路堤的堤身沉降量分布規(guī)律類(lèi)似，沉降量最大值都出現(xiàn)在路堤軸線、距堤基約1/3至1/2堤高處。在沉降量最大值周?chē)?，沉降量按橢圓形等值線向外逐漸遞減，如圖2所示，圖中為完工時(shí)16 m高路堤沉降量（m）等值線圖。路堤的高度越大，完工時(shí)路堤的最大沉降量也越大。

當(dāng)路堤沉降穩(wěn)定時(shí)，不同高度的路堤的堤身沉降量的分布規(guī)律與完工時(shí)類(lèi)似，但沉降量更大。沉降量最大值都出現(xiàn)在路堤軸線、距堤基約1/2堤高處。在沉降量最大值周?chē)?，沉降量按橢圓形等值線向外逐漸遞減，如圖3所示，圖中為沉降穩(wěn)定時(shí)16m高路堤沉降量等值線圖。路堤的高度越大，沉降穩(wěn)定時(shí)路堤的最大沉降量也越大。

通過(guò)分析高填方路堤計(jì)算過(guò)程中的沉降變化，還發(fā)現(xiàn)，隨著路堤填筑的進(jìn)行，路堤沉降最大值點(diǎn)在橫斷面位置并不固定。當(dāng)路堤高度處于較低（4 m和8 m）位置時(shí)，沉降量出現(xiàn)兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的極值，分別在路堤兩側(cè)距坡面一定距離、距地基表面約1/3填土高度處。當(dāng)路堤高度較高（＞12 m）時(shí)，沉降量最大值出現(xiàn)在路堤軸線距地基表面約2/5堤高處。圖4為16 m高路堤在不同填筑高度（4m、12m）時(shí)的沉降量（m）等值線圖。由圖可知，完工時(shí)，隨著層高的增大，路堤的沉降量逐漸增大。

當(dāng)沉降穩(wěn)定時(shí)，路堤的最大沉降量出現(xiàn)在路堤軸線、距地基表面約1/2堤高處。其它高度路堤的沉降量隨路堤填土高度的變化情況與16 m路堤類(lèi)似，填土高度較低時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的沉降量極值，填土高度較高時(shí)出現(xiàn)一個(gè)位于路堤軸線上的沉降量最大值。且沉降量極值的位置隨路堤填土高度的增大及路堤的不斷固結(jié)變形而上移。

圖2 完工時(shí)16 m高路堤沉降量（m）等值線圖

圖3 沉降穩(wěn)定時(shí)16 m高路堤沉降量（m）等值線圖

圖4 16 m高路堤在不同填筑高度時(shí)的沉降量（m）等值線圖

圖5為路堤的最大沉降量隨路堤高度的變化曲線。由圖可知，無(wú)論完工時(shí)還是沉降穩(wěn)定后路堤的最大沉降量都隨路堤高度的增大而增大。沉降穩(wěn)定時(shí)的最大沉降量大于完工時(shí)的最大沉降量值。

圖5 路堤的最大沉降量隨路堤高度的變化曲線

4 不同高度路堤的壓實(shí)度變化規(guī)律

圖6為不同高度路堤的壓實(shí)度隨層高的變化曲線。由圖可知，完工時(shí)，不同高度路堤的壓實(shí)度隨層高變化的規(guī)律相同，都是隨著層高的增大，壓實(shí)度增量逐漸變小，即最底層的壓實(shí)度增大最多，最高一層的壓實(shí)度增大最少。這主要是由于上層土的自重對(duì)下層土的壓實(shí)作用及自然沉降作用的時(shí)間效應(yīng)所致。由于越底層的路堤土施工早、上覆土壓力大、作用時(shí)間長(zhǎng)，壓實(shí)度增長(zhǎng)多；而越高層的路堤土剛填筑完成、上覆土壓力小、作用時(shí)間段，其壓實(shí)度增長(zhǎng)低。

沉降穩(wěn)定時(shí)，與完工時(shí)壓實(shí)度增量隨著層高變化而變化的規(guī)律不同，且不同高度路堤的壓實(shí)度隨層高變化的規(guī)律不同，如圖7所示，圖為沉降穩(wěn)定時(shí)不同高度路堤的壓實(shí)度隨層高的變化曲線。當(dāng)?shù)谈咻^低 （6m至12m）時(shí)，壓實(shí)度增量隨著層高的增大而增大；當(dāng)?shù)谈咻^高（16m至20m）時(shí)，壓實(shí)度增量隨著層高的增大先增大而后逐漸變小，在5m高時(shí)壓實(shí)度達(dá)到最大值。當(dāng)?shù)谈咻^小時(shí)，由于地基的變形使堤體發(fā)生水平位移，且由于孔隙水壓力不能及時(shí)消散、上部土體對(duì)下部土體的最終作用有限，造成下部的土體的壓實(shí)度低于上部。當(dāng)?shù)谈咻^高時(shí)，較低位置（低于5m）受地基的影響和最終孔隙水壓力影響較大，因此，隨位置的增大，壓實(shí)度增量增大；但當(dāng)位置較高（高于5m）時(shí)，主要受到上覆土層的自重作用，因此隨位置的升高，填土的壓實(shí)度增量逐漸減小。

圖8為整個(gè)路堤壓實(shí)度增量平均值隨路堤高度的變化曲線。由圖可知，無(wú)論是完工時(shí)還是沉降穩(wěn)定后，壓實(shí)度增量平均值都隨著路堤高度的增大而逐漸增大。說(shuō)明路堤越高，整個(gè)自重越大，最終對(duì)路堤的壓實(shí)度的影響越大。

圖6 完工時(shí)不同高度路堤的壓實(shí)度隨層高的變化曲線

圖7 沉降穩(wěn)定時(shí)不同高度路堤的壓實(shí)度隨層高的變化曲線

圖8 壓實(shí)度增量平均值隨路堤高度的變化曲線

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)不同高度路堤填筑過(guò)程進(jìn)行有限元數(shù)值分析，主要得出以下結(jié)論：

（1）路堤填筑完工時(shí)和路堤沉降穩(wěn)定時(shí)，不同高度的路堤的堤身沉降量分布規(guī)律類(lèi)似，路堤的沉降量隨路堤高度的增大而增大。沉降量最大值都出現(xiàn)在路堤軸線、距堤基約1/3至1/2堤高處。在沉降量最大值周?chē)?，沉降量按橢圓形等值線向外逐漸遞減。

（2）在高路堤填筑過(guò)程中，隨著路堤填筑的進(jìn)行，路堤沉降最大值點(diǎn)在橫斷面位置并不固定。當(dāng)路堤高度處于較低（小于8 m）位置時(shí)，沉降量出現(xiàn)兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的極值，隨著路堤的增高，沉降量最大值點(diǎn)向路堤軸向移動(dòng)。

（3）完工時(shí)，不同高度路堤的壓實(shí)度增量隨層高的增大而逐漸變小。沉降穩(wěn)定時(shí)，不同高度路堤的壓實(shí)度增量隨層高的分布規(guī)律不同：高度較低（6m至12m）路堤的壓實(shí)度隨高度的增大而增大；高度較高（12m至20m）路堤的壓實(shí)度隨高度先增大而后逐漸減小。

（4）無(wú)論是完工時(shí)還是沉降穩(wěn)定后，不同高度的路堤的壓實(shí)度增量平均值都隨著路堤高度的增大而逐漸增大。

[1]康擁政,竇惠娟,趙惠麗.高速公路路基過(guò)濕土處理的探討[J].路基工程，2006，124（1）：48-49.

[2]謝劍康,李艷萍.軟土地基地區(qū)高速公路路基沉降的數(shù)值模擬[J].南京工程學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，13（4）：78-82.

[3]JTG F10-2006,公路路基施工技術(shù)規(guī)范[S].

[4]JTG D30-2015,公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].