彈性力學(xué)解析法、分層總和法等傳統(tǒng)的基礎(chǔ)沉降驗算方法由于其特殊的假定條件，難以滿足三維復(fù)雜地形下的線狀路堤沉降驗算要求，為此，文章以擬建百色至那坡高速公路大能山1號、2號隧道間的中軟土路堤為例，以地基土固結(jié)沉降理論為基本準(zhǔn)則并結(jié)合工程實際，借助FLAC 3D 5.0三維有限差分軟件，在特定的假定條件下分析路堤的總體位移特征、斷面上的位移分布情況并擬合分析位移量與中軟土厚度的相關(guān)性，基于上述特點總結(jié)研究區(qū)路堤的沉降機理，并預(yù)測路堤可能出現(xiàn)的變形病害，給出防治建議。研究表明：位移最可能出現(xiàn)部位是K26+300路中心與K26+430路堤腳，由于填筑體自身結(jié)構(gòu)發(fā)揮的抗力路面位移小于地基土位移并產(chǎn)生了填筑體內(nèi)部孔隙擴容，截面上中軟土厚度與路面位移量、地基位移量存在非線性相關(guān)性，可誘發(fā)路堤的內(nèi)陷式沉降與側(cè)向蠕滑-拉裂式破壞，建議通過強夯、縮短地基土排水路徑、延長堆載時間、加大局部路面剛度等措施預(yù)防K26段路堤的潛在病害。

中軟土；路堤沉降；機理；位移；FLAC 3D

U416.1+2A170514

作者簡介：

劉逸峰（1990—），碩士，工程師，主要從事巖土工程勘察與設(shè)計工作。

0" 引言

洼地內(nèi)中厚層中軟土路堤的沉降特征預(yù)測是一類難以有效解析的工程課題。自然地基的三向空間起伏使得其沉降特性難以采用基于平面應(yīng)變問題的彈性力學(xué)理論加以分析［1］。以分層總和法為代表的另一類傳統(tǒng)沉降預(yù)測法因其諸多假定條件及實際工程的個體差異，常常使得理論分析法與實際的沉降演化相差甚遠(yuǎn)。相近條件下的經(jīng)驗修正系數(shù)ψs相差甚遠(yuǎn)，給工程應(yīng)用中的沉降機理分析及其趨勢預(yù)測帶來了諸多困難［2］。

有鑒于三向應(yīng)力應(yīng)變協(xié)調(diào)方程解析對于求解位于洼地內(nèi)的中厚層中軟土路堤沉降存在理論優(yōu)勢［3］，本文以擬建廣西百色至那坡高速公路K26+179～K26+490右側(cè)高填路堤（以下簡稱K26段路堤）為研究對象，運用三維有限差分應(yīng)力應(yīng)變協(xié)調(diào)方程，用FLAC 3D 5.0軟件研究了該段路堤填筑之后的沉降數(shù)值及分布特點，得到其總體及特定斷面上的位移分色圖，在此基礎(chǔ)上研究了中軟土厚度與位移的相關(guān)性，歸納得到該段路堤的沉降機理和病害趨勢，為其防治提供了理論依據(jù)。

1" 工程概況

1.1" 路線方案

擬建K26段路堤位于百色市田陽區(qū)橋業(yè)鄉(xiāng)西側(cè)約5.6 km處巖溶峰林圍成的洼地內(nèi)，項目初擬以填方路堤的形式穿越此段洼地，路面高程在該段總體為459 m，路堤邊坡共4級，每級8 m，其在初始三維地形上的投影見圖1。路堤前后分別接該工程的大能山1#隧道及大能山2#隧道，因兩隧道均穿越硬質(zhì)灰?guī)r山體，初擬以挖出的洞渣為該段路堤填料，填方體為散體透水材料。

1.2" 工程地質(zhì)條件

該場地洼地范圍內(nèi)地勢相對平坦，山體則地形陡峻且大部分基巖裸露，雜樹和灌木覆蓋地表。洼地內(nèi)部覆蓋1～8 m的沖洪積可塑狀黏土，呈條帶狀展布于洼地底部，厚度在空間分布上不均勻，K26+300路中及K26+430右側(cè)堤腳處相對最厚；沖洪積黏土標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)為N=4～8擊，對應(yīng)的場地土類別屬中軟土。土層下伏基巖為中風(fēng)化灰?guī)r，研究場地范圍未見落水洞、溶溝等地表巖溶形態(tài)與其他不良地質(zhì)現(xiàn)象，鉆孔亦未揭示溶洞。根據(jù)鉆孔信息，場地內(nèi)穩(wěn)定地下水位位于中風(fēng)化基巖中，但暴雨情況下洼地內(nèi)易積水，積水厚度可達0.5～1.0 m，消水需要1～2 d。

2" 研究技術(shù)路線

項目初擬填料屬透水材料，沉降穩(wěn)定時間短，假設(shè)填料獲得了較好壓實作業(yè)，施工期間即可完成該層的自重沉降。

綜上，K26段路堤沉降的主要影響因素是中厚層中軟土在上覆荷載作用下的沉降大小及分布規(guī)律?；诖耍疚膹臄M建項目實際情況出發(fā)，以該段路基的原始地形為初始模型，構(gòu)建三維填筑體，根據(jù)工程地質(zhì)分析法綜合考慮選用合理的本構(gòu)模型及參數(shù)，輔以合理的邊界條件，將初始自重應(yīng)力場的沉降清零后施加堆載作業(yè)模擬，仿真計算得到模型位移數(shù)值及其分色圖，結(jié)合總體位移、截面位移、位移-中軟土厚度的相關(guān)性研究［4］等方面的論證歸納路堤沉降機理，進而提出合理的防治措施建議，技術(shù)路線圖見圖2。

3" 三維地質(zhì)建模及驗算

3.1" 初始模型及參數(shù)

勘察工作期間通過機械鉆孔獲取了土層厚度及巖層性狀，未鉆遇基巖溶洞。另根據(jù)若干釬探孔探查其余位置的土層厚度，據(jù)此得以構(gòu)建三維中軟土地質(zhì)體。該項目工程地質(zhì)概念模型簡化為沖洪積黏土（中軟土）、填筑體、中風(fēng)化灰?guī)r等3組巖土層，可視化的三維地質(zhì)模型見圖3。

巖土體通常具有變異性、多相性、不連續(xù)性等大自然長期演變而成的特殊屬性［5］，其計算參數(shù)的選擇以勘察數(shù)據(jù)置信概率為95%的可靠性估值為基準(zhǔn)，結(jié)合工程經(jīng)驗進行微調(diào)。對于本文的研究對象而言，中風(fēng)化灰?guī)r由于在前期勘察中未見天然斜坡上的不利結(jié)構(gòu)面及組合，也未探查到溶洞，屬不可壓縮層，在本例中并非研究重點，為簡化計算將該層視為各向同性的彈性介質(zhì)［6］；根據(jù)前文里對研究項目挖填特性的分析，填筑體屬相對理想的散粒體［7］，且為本文的主要研究對象；沖洪積黏土的場地土分類屬中軟土，是誘發(fā)填方路基沉降的主要影響因子。依照上述準(zhǔn)則總結(jié)的計算參數(shù)通過了模型試算的初步檢驗，計算參數(shù)取值見表1。

3.2" 模型邊界條件與計算邏輯

模型的周界是路堤區(qū)域向外側(cè)延伸了2～3倍尺寸長度，以避免模型計算出現(xiàn)的尺寸效應(yīng)對仿真結(jié)果的干擾［8］。模型的邊界條件是對邊界采用鉸接約束，分別約束側(cè)邊界的X、Y方向的位移以及約束底邊界在Z方向上的位移。初始狀態(tài)下將填筑體定義為空模型，不參與模型的自重應(yīng)力應(yīng)變計算。

填筑體原材料為灰?guī)r石料，經(jīng)破碎和碾壓后仍屬理想散粒體，能快速固結(jié)沉降，其在填方作業(yè)期間得到分層碾壓，施工期間就能完成自重固結(jié)［9］；填筑體下臥土體為透水性相對較差的中軟黏性土，固結(jié)及沉降周期長，其在施工期間不能完成荷載作用下的固結(jié)。

在此基礎(chǔ)上對除空模型外的其余地質(zhì)體施加豎直向下的重力加速度g，取值9.81 m/s2。先完成對模型的初始應(yīng)力場（圖4）的模擬，待計算收斂后將自重應(yīng)力下的沉降清零以進入下一步計算。

隨后將填筑體激活成為摩爾-庫侖模型并初始化其自重應(yīng)力，在此時將中軟黏性土的屬性調(diào)節(jié)至剛性體的對應(yīng)參數(shù)以避免過大沉降，使其符合施工期間填筑體自重不能令地基土充分固結(jié)的客觀規(guī)律。下一步重置中軟土的各項參數(shù)以正確模擬其在填方路堤荷載作用下的沉降值及其分布特征，以求仿真計算得到符合固結(jié)規(guī)律的結(jié)果。

3.3" 模型位移分布

完成上一步仿真驗算后獲得模型的整體位移分布圖，同時將模型計算過程中的最大不平衡力與計算時步的對應(yīng)關(guān)系呈現(xiàn)出來，見圖5。模型經(jīng)歷了3次計算收斂，分別模擬得到初始地應(yīng)力場、填筑體自重應(yīng)力、填筑誘發(fā)的路基沉降。

由于已將中軟土地基、填筑體的自重沉降清零，模型計算結(jié)果相對可靠，位移的極大值分別產(chǎn)生于里程K26+300斷面的路堤中央處、K26+430斷面的路堤堤腳處，其在表面的位移量分別達到37.8 mm和32.0 mm，并向外擴散，在宏觀上預(yù)示了路堤易于中軟土厚度相對最大處下陷；中軟土分布于堤身側(cè)面時，沉降主要發(fā)生于堤腳，可繼而誘發(fā)路堤的側(cè)向滑移。

3.4" 典型截面上的位移值特征

現(xiàn)對出現(xiàn)較大位移的K26+300、K26+430的兩處斷面進行分析，分別見圖6、圖7。

在位移相對最大的K26+300截面，填筑體表層亦非截面的最大位移，通過其位移+分布圖可知中軟土的最大位移值可達67 mm，地基沉降的影響區(qū)呈拋物線形展布。然而位移在填筑體內(nèi)由下而上呈逐漸衰減的趨勢，路堤表面位移略小于地基土位移，填筑體在車輛反復(fù)荷載作用下存在約30 mm的二次潛在沉降。

K26+430截面的地基土位移與地表位移亦存在一定出入，即截面位移的最大值分布于堤腳軟土中，而堤身的位移略小于中軟土范疇，而填筑不可壓縮的灰?guī)r的路堤區(qū)域未出現(xiàn)二次沉降，位移影響區(qū)從堤腳出發(fā)，近似弧形延伸到路面上。這一方面顯示了填筑體顆粒間的嵌鎖擠密作用使其能在小幅度應(yīng)力條件變化的情況下抵御變形；另一方面由變形區(qū)的形態(tài)預(yù)示了極端工況時路堤有向堤腳外側(cè)的滑動趨勢，可發(fā)展演變?yōu)槿浠?拉裂式變形。

3.5" 中軟土厚度與位移的相關(guān)性分析

在本案例中各斷面的路基填方高度除前后與隧道接觸端外，填方高度基本一致，除大樁號一側(cè)外路堤斷面的中軟土側(cè)向變形受限，位移量值主要受截面中軟土厚度的控制。

現(xiàn)將里程樁號K26+240～K26+420各路堤斷面（間距為12 m）上的沉降值提取出來進行數(shù)據(jù)分析，得到相應(yīng)斷面上路面位移最大值、中軟土地基最大位移值與相應(yīng)斷面中軟土厚度的對應(yīng)關(guān)系，見圖8。

可見，在填方高度為近似常量的條件下，斷面的兩類位移最大值與中軟土厚度呈正相關(guān)性，其相關(guān)性分析適用于logistic非線性擬合模型［10］，經(jīng)擬合計算獲得調(diào)整后的相關(guān)系數(shù)平方值R2分別為0.968和0.979，擬合效果較好，其對應(yīng)的擬合公式分別見式（1）與式（2）。

s=50.29-36.59/［1+（h/5.76）2.133］（1）

s=72.41-48.9/［1+（h/4.52）4.202］（2）

式中：h——中軟土土層厚度（m）；

s——相應(yīng)斷面上的位移最大值（mm）。

4" 中軟土誘發(fā)的沉降機理分析

4.1" 路堤沉降變形的機理分析

在填筑體方面，K26段路堤的填料來源于大能山1#、2#隧道開挖獲取的灰?guī)r洞渣，填料具有顆粒礫徑、孔隙相對較大的工程特性，施工作業(yè)期間就能在得到充分壓實后快速排水固結(jié)，沉降歷時短，施工期間填筑體即可完成自重主導(dǎo)下的固結(jié)沉降，工后的沉降主要由中軟土的固結(jié)排水主導(dǎo)。

室內(nèi)試驗結(jié)果反映地基土具備較高的含水率和塑性指數(shù)，反映了可塑狀黏性土對結(jié)合水的吸附作用強，透水性較差。按照土的固結(jié)理論，該類土的固結(jié)沉降穩(wěn)定時間長，因此設(shè)置合理的邊界條件和參數(shù)條件后本例的仿真結(jié)果能用于路面沉降趨勢、病害防治的主要參考依據(jù)。

在位移分布特征方面，由于溝谷內(nèi)K26+300路中心線處的中軟土最厚，位移在該處最大，并向外擴散，在大能山2#隧道一側(cè)（大樁號側(cè)）最大位移則向右側(cè)堤腳轉(zhuǎn)移。這些信息預(yù)示了填方路基的沉降不均勻特性：（1）在天然條件+快速堆載條件下路基將在中段的中心線附近產(chǎn)生內(nèi)陷式沉降，易在路面結(jié)構(gòu)層上產(chǎn)生環(huán)向裂縫，惡化行車體驗；（2）在大樁號側(cè)堤腳率先發(fā)生下陷沉降，模型計算下的沉降尚屬可控范圍，但在地基土長期浸水+地震擾動+車輛荷載等多方面不利因素聯(lián)合作用下可以在堤腳地基持續(xù)蠕變并誘發(fā)相應(yīng)區(qū)域的牽引式蠕滑-拉裂式滑動；（3）斷面位移分布圖揭示路面位移低于地基土沉降，說明填筑體在自身嵌鎖擠密的結(jié)構(gòu)強度作用下抵御了部分地基誘發(fā)的變形，表現(xiàn)出一定的彈性特性，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)孔隙度有小幅提升，有在車輛循環(huán)荷載下路面持續(xù)沉降至地基沉降值的趨勢。

4.2" 基于沉降機理的防治對策

由于在沉降作用下路堤中段有發(fā)生內(nèi)陷式變形、大樁號一側(cè)向堤腳發(fā)生蠕滑-拉裂式變形的趨勢，又考慮到研究區(qū)集中匯水的特殊地形、地基土固結(jié)排水周期長的性質(zhì)，為提高設(shè)計質(zhì)量和減少維護成本，提出防治建議如下：（1）強夯處治中軟土，并借此消除場地潛在的土洞、頂板薄弱的溶洞；（2）打入碎石樁或豎井以縮短排水路徑；（3）適當(dāng)延長填筑作業(yè)施工時間；（4）在K26+300與K26+430等易沉降區(qū)域適當(dāng)加大路面結(jié)構(gòu)剛度，必要時注漿該區(qū)域填筑體以增強顆粒間的膠結(jié)作用。

5" 結(jié)語

本文以百色至那坡高速公路K26段中軟土高填路堤為例，從工程初擬方案出發(fā)，通過三維有限差分結(jié)合工程地質(zhì)分析的方法，以模型位移為主要依據(jù)進行了沉降機理分析，并基于此給出了潛在病害治理建議，主要結(jié)論如下：

（1）位移主要發(fā)生于研究區(qū)K26+300路中心與K26+430堤腳，分別可產(chǎn)生量值為37.8 mm、32.0 mm的位移值。

（2）在斷面上由于填筑體的嵌鎖擠密結(jié)構(gòu)，路面位移并不等同于地基位移，地基土沉降位移可達67 mm，兩類位移與對應(yīng)斷面中軟土的厚度呈logistic型非線性相關(guān)性。

（3）假定填料能在施工期快速固結(jié)，仿真模擬預(yù)示該段路堤可在多因素聯(lián)合作用下產(chǎn)生環(huán)向內(nèi)陷式沉降（K26+300）與沿堤腳的蠕滑-拉裂式變形（K26+430），且填筑體內(nèi)部由于調(diào)節(jié)變形產(chǎn)生的孔隙擴容使得路面在車輛荷載作用下存在持續(xù)沉降至地基沉降值的蠕變下限。

（4）為提高設(shè)計質(zhì)量和減少維護成本，宜采用強夯、縮短地基土排水路徑、延長堆載時間、加大局部路面剛度等防治措施。

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20240303