劉振華，王 帥，陳 澤，修占國(guó)

(1.中建五局華東建設(shè)有限公司， 浙江 平湖 312400；2. 東北大學(xué) 資源與土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819)

在地下水位較高的地區(qū)，尤其是閩江浙地區(qū)，修建公路不可避免地會(huì)遇到一項(xiàng)重大的技術(shù)問題——浮力。如何避免浮力過大危及公路安全成為現(xiàn)在公路發(fā)展的焦點(diǎn)問題。而對(duì)于一些軟弱地下土層，水浮力過大問題將更加凸顯。對(duì)于這一問題，可采取的措施有以下幾種：(1) 路基下排水[1-2]：將路基下的水全部排出，降低路基下地下水位，但此方法只適用于地下水位較低的地區(qū)，江浙等東南沿海地下水位較高地區(qū)，想要使水位降低，需要花費(fèi)的代價(jià)過大；(2) 路基壓實(shí)[3-6]：填好路基后，用機(jī)械將路基壓實(shí)，再填筑再壓實(shí)，如此循環(huán)以達(dá)到抗浮目的；(3) 換填路基[7-8]：挖出路面以下的軟弱土層，用換填材料來進(jìn)行填筑，以提高路基的黏聚力、防水性以及耐久性。

鑒于此，本文以全填塘這種軟弱地基為例，來對(duì)路基換填的抗浮效果進(jìn)行數(shù)值模擬分析。本文以全填塘換填路基為模型，不斷變換路基換填材料，以此來改變換填部分的彈性模量、重度、黏聚力和內(nèi)摩擦角，通過比較分析找出影響全填塘換填路基抗浮效果的主要因素以及得到最理想的換填材料。

1 工程概況

平湖市位于其轄區(qū)內(nèi)的嘉興市，南鄰杭州灣，水系復(fù)雜，水位較高。本項(xiàng)目為平湖乍浦至上海興塔的混凝土公路(01省道至平興公路段)K8+110.000—K16+780.185路段，依據(jù)原交通部頒布的《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[9](JTG B01—2003)一級(jí)公路的標(biāo)準(zhǔn)，又考慮到城市道路部分功能，所以除局部受限的路段(K2+850—K3+600杭浦跨線橋處)設(shè)計(jì)速度是60 km/h外，余下路段的設(shè)計(jì)速度都取80 km/h。由于距該路段5 m處存在一個(gè)小型水塘，故該路段路面以下2 m處存在大量淤泥，且路面以下地下水位較高，嚴(yán)重影響了路基的承載能力，故根據(jù)工程需要，對(duì)該路段公路進(jìn)行路基換填設(shè)計(jì)。具體的橫斷面布置情況如圖1所示。

圖1K8+110.000—K16+780.185標(biāo)準(zhǔn)橫斷面(單位：cm)

K8+110.000—K16+780.185段路基寬度27.5 m，路幅布置如下：0.75 m土路肩+4.00 m硬路肩(含0.50 m路緣帶)+2×3.75 m行車通道+2×3.75 m行車通道+4.00 m硬路肩(含0.50 m路緣帶)+0.50 m路緣帶+0.75 m土路肩+2 m中央分隔帶。

根據(jù)圖1路基標(biāo)準(zhǔn)橫斷面圖，可以得出路基的各部分尺寸及參數(shù)，進(jìn)而可以建立如圖2所示的路基換填模型圖。

圖2換填路基模型

2 全填塘換填路基設(shè)計(jì)

2.1 路基抗浮穩(wěn)定性計(jì)算

對(duì)于該項(xiàng)目地下水位較高地區(qū)，路基抗浮的驗(yàn)算與地下結(jié)構(gòu)抗浮的驗(yàn)算相似。路基的浮起開裂不僅是地下水的浮力作用，而且在基坑回填土未夯實(shí)的情況下或路基周邊為富含水的深厚雜填土等透水土層及在雨水等地面水的長(zhǎng)期作用下，路基路面都會(huì)發(fā)生浮起、結(jié)構(gòu)損壞的現(xiàn)象，因此路基路面設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)進(jìn)行抗浮驗(yàn)算[10-13]。

抗浮驗(yàn)算包括整體抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算和局部抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算以及路基內(nèi)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度驗(yàn)算。這里主要對(duì)整體抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算和局部抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算做簡(jiǎn)要概括。

2.1.1 整體抗浮驗(yàn)算

對(duì)于常年地下水位較高地區(qū)(如廣東、上海等)，按照廣東省規(guī)范[14]進(jìn)行整體抗浮驗(yàn)算：

(1)

式中：W為換填宕渣重量與宕渣上其余活荷載重量之和；F為地下水的浮力；Kw為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取1.05。

在本論文中，可以取2 m長(zhǎng)路基進(jìn)行驗(yàn)算，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，換填前路基總重量W為2 437 kN，而地下水浮力可以通過下面公式進(jìn)行計(jì)算：

F=ρgh×S=2 695 kN

對(duì)于路基總重量大于水浮力的路段，應(yīng)注意施工期間的降排水措施，主體結(jié)構(gòu)施工期坑槽尚未回填，一旦停止降水，地下水位將很快回升。而且規(guī)范中要求，如果單純考慮施工期間的水浮力，需要以一個(gè)水文年的最高水位來預(yù)測(cè)抗浮設(shè)防的水位[15]。

2.1.2 局部抗浮驗(yàn)算

局部上浮是指路基總重量大于水浮力，但某一段路基直接承受水浮力且其壓力小于浮力，整段路基不同部位抗浮承載力不均衡，出現(xiàn)局部位移。這時(shí)路面往往會(huì)發(fā)生局部浮起，因此應(yīng)特別注意局部穩(wěn)定性的驗(yàn)算，在路基整體穩(wěn)定性得到保證的前提下，對(duì)路基表面進(jìn)行強(qiáng)度和抗裂驗(yàn)算[16]。

2.2 填料

2.2.1 填料材料

路基直接填筑填料的液限應(yīng)小于等于50，塑性指數(shù)小于等于26。有些材料不能直接填筑路基，如：泥潭、淤泥、土中有機(jī)土的含量超過允許值的土等。

(1) 粉質(zhì)黏土。當(dāng)本項(xiàng)目K8+100.000—K16+780.185路段采用粉質(zhì)黏土填筑時(shí)，粉質(zhì)黏土要求黏粒含量在30%～40%之間，且砂粒組的含量小于粉粒組的含量，塑性指數(shù)介于12～15之間。

(2) 砂土。當(dāng)本項(xiàng)目K8+100.000—K16+780.185路段采用砂土填筑時(shí)，砂土最大粒徑要求不大于35 mm，不小于15 mm，顆粒級(jí)配良好。

(3) 宕渣。當(dāng)本項(xiàng)目K8+100.000—K16+780.185路段采用宕渣填筑時(shí)，宕渣要求粒徑不大于150 mm，含泥量小于等于10%，粒徑大于40 mm石塊的含量不小于30%。

2.2.2 地基表層處理

(1) 路基填土前應(yīng)考慮先清理草皮、樹根及腐殖土等，一般填方路段清表應(yīng)按20 cm考慮。清表后，在其下20 cm土層中加5%石灰進(jìn)行翻拌整平。然后再進(jìn)行碾壓至密實(shí)，碾壓下沉應(yīng)按10 cm考慮，基底壓實(shí)度(重型)不應(yīng)小于90%。

(2) 在原始地面上直接填筑路堤要求地面橫向的坡度小于1:5.0，而當(dāng)?shù)孛鏅M坡坡度較小時(shí)，如1:5.0～1:2.5時(shí)，需要在原地面鋪設(shè)臺(tái)階，臺(tái)階挖成向內(nèi)側(cè)傾斜的樣式，且其坡度為4%，且臺(tái)階的寬度應(yīng)大于2 m。

(3) 清除的表土需要結(jié)合附近的地形進(jìn)行集中堆放，以方便綠化防護(hù)(邊坡、中央分隔帶等部位)，禁止用于路基填筑。

3 全填塘換填路基模型建立及數(shù)值分析

路堤經(jīng)過的水塘路段，需先開始圍堰、排水及清淤處理，清淤換填及河塘用砂土、粉質(zhì)黏土或宕渣來進(jìn)行填筑。然后分別對(duì)這三種材料填筑后的路基建立模型，進(jìn)行數(shù)值模擬分析，比較三種情況下路基所受壓應(yīng)力及其位移大小，從而找出抗浮的最優(yōu)填筑材料。

3.1 模型建立

運(yùn)用ABAQUS軟件，對(duì)路基建立1∶1比例的模型。填塘路基的路基寬度B為27.50 m，塘基平均處理寬度L1為28.4 m，塘深h為1.8 m。假定地下水位與地表齊平，且路基是一個(gè)均勻、連續(xù)、完全彈性的整體，其彈性在所有各個(gè)方向都相同，且其位移和變形是微小的。此外，由于路基面積較大，重度較高，故路基上表面和側(cè)面位移和轉(zhuǎn)角相對(duì)較小，所以假定路基上表面和側(cè)面的位移和轉(zhuǎn)角均為0。

依據(jù)上述假定，建立如圖2所示的路基模型。

然后將模型分為三部分：1部分為換填部分；2部分為地表以上路基部分；3部分為地表下路基換填部分兩側(cè)路基。模型中三部分土體的本構(gòu)關(guān)系均采用摩爾-庫(kù)侖模型，具體參數(shù)見表1。

表1 模型各部分參數(shù)

3.2 加載及網(wǎng)格劃分

由于地下水的滲透，全填塘換填路基所受水浮力為路基1、3部分整體受到的水浮力。下面給出水的重度γ：

γ=ρg=9.81 N/m3

由于路基面積較大，重度較高，故道路上表面和側(cè)面位移相對(duì)較小，可忽略不計(jì)，故在道路上表面和側(cè)面加上約束三個(gè)方向位移均為0的邊界條件。

網(wǎng)格劃分采用C3D6(六節(jié)點(diǎn)三棱柱)楔形單元，掃掠劃分網(wǎng)格，共劃分1 374個(gè)單元。模型網(wǎng)格劃分見圖3。

3.3 數(shù)值模擬分析

分別對(duì)用粉質(zhì)黏土、砂土和宕渣填筑的路基模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

(1) 以粉質(zhì)黏土為路基填筑材料得到模擬結(jié)果如圖4所示。

圖3 模型網(wǎng)格劃分圖

圖4以粉質(zhì)黏土為材料模擬位移圖

由圖4可知：路基換填部分產(chǎn)生的位移稍小于未換填部分產(chǎn)生的位移，相差6 mm左右。由此可以看出：用粉質(zhì)黏土換填路基雖然可以增大換填部分的彈性模量與重度、減小換填路基的變形，但對(duì)變形的減小并不明顯。

此外，換填部分中心區(qū)域出現(xiàn)變形較大的情況，說明換填的粉質(zhì)黏土強(qiáng)度不足，對(duì)路基抗浮提高不大。

(2) 以砂土為路基填筑材料，得到圖5所示路基模型位移云圖。

圖5以砂土為材料模擬位移圖

由圖5可以發(fā)現(xiàn)：以砂土為路基填筑材料，填筑部分位移雖然也是稍小于兩側(cè)未填筑部分位移，但是換填中心區(qū)域位移為8 mm左右，未出現(xiàn)較大變形，可見換填砂土后的路基強(qiáng)度強(qiáng)度明顯高于用粉質(zhì)黏土換填后的路基強(qiáng)度。

(3) 以宕渣為材料來填筑路基，經(jīng)過ABAQUS模擬計(jì)算得到圖6所示位移云圖。

圖6以宕渣為材料模擬位移圖

由圖6可知：采用宕渣換填路基后，換填部分位移相比于未換填部分位移有明顯降低的趨勢(shì)，減小20 mm左右。說明宕渣是路基換填抗浮的可靠材料。

而從路基上表面及路基兩側(cè)面位移幾乎為零可以看出是約束條件起了作用。路基底面兩端出現(xiàn)位移急劇下降的現(xiàn)象則是由于路基兩側(cè)面均采用鉸接的方式固定邊界。

由以上三種換填材料對(duì)比分析后，可得出宕渣作為路基換填材料較為合理。

至于1部分與3部分的交界處，則是換填路基的最薄弱處。從圖中也可看出其位移較大，在后續(xù)研究中可以考慮采用錨桿或樁基橫向固定交界處的措施。

4 結(jié) 語

本文主要研究換填材料對(duì)路基抗浮效果的影響情況，借助ABAQUS軟件對(duì)分別用粉質(zhì)黏土、砂土、宕渣等材料進(jìn)行換填后的路基模型進(jìn)行模擬后，可以得出結(jié)論：換填的粉質(zhì)黏土強(qiáng)度不足，對(duì)路基抗浮提高不大；換填砂土后的路基強(qiáng)度明顯高于用粉質(zhì)黏土換填后的路基強(qiáng)度；而換填砂土后的路基強(qiáng)度又高于用其余兩種材料換填后的路基強(qiáng)度。進(jìn)而可以得出：在換填的粉質(zhì)黏土、砂土、宕渣等材料中，宕渣的抗浮效果最好。