粉煤灰路堤與常規(guī)路堤變形規(guī)律對比分析

李 廣

(1.長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院，湖南長沙 410000; 2.國家級瀏陽經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)開發(fā)投資有限公司，湖南長沙 410329)

軟土地基［1，2］天然含水量高、孔隙比大，具有承載力低、壓縮性高、抵抗剪切變形能力差等特點。軟基路堤沉降變形及其規(guī)律在軟基處治設(shè)計中占有十分重要的地位，至今仍是軟基路堤研究需解決的關(guān)鍵問題。目前公路常用粉煤灰和粘性土作為軟基的填筑材料，掌握不同筑路材料下軟基變形規(guī)律是地基沉降變形的重要內(nèi)容，也是決定軟基是否需要處理的重要步驟。

1 理論分析方法

有限元法(Biot法)［3］計算中地基和結(jié)構(gòu)作為一個整體來分析，將其劃分網(wǎng)格，形成離散體結(jié)構(gòu)，在荷載作用下算得任意時刻地基和結(jié)構(gòu)各點的位移和應(yīng)力。本文利用有限元法求解比奧固結(jié)方程，避免了一維固結(jié)計算的許多弊端。比奧固結(jié)理論的有限單元法公式為:

{δ}——單元的結(jié)點位移;

［K′］——單元結(jié)點孔隙壓力所對應(yīng)的那部分結(jié)點力;

{β}——單元的結(jié)點超孔隙壓力;

{R}——結(jié)點的荷載向量;

以上比奧固結(jié)理論的有限單元法公式，可以方便的編入有限元程序中進(jìn)行電算求解。

2 理論計算結(jié)果

為討論不同填筑材料對軟基沉降變形規(guī)律的影響，粉煤灰參數(shù)選用粉煤灰室內(nèi)實驗的結(jié)果。計算時路堤荷載分級加載，施工結(jié)束后我們分別考慮了3月，6月，12月，24月，36月，120月，240月。理論計算選取的土層計算參數(shù)見表1。

表1 理論模型計算參數(shù)

本文分別計算了路堤頂面寬度為30m時，軟基厚度20m，路堤高度為2m，5m，7m時填料路堤沉降變形規(guī)律，路堤的邊坡坡比均為1∶1.5。計算結(jié)果見表2，表3，計算所得的沉降和位移曲線分別見圖1，圖2。根據(jù)以上的計算結(jié)果表明:粘性土路堤的沉降變形規(guī)律基本和粉煤灰路堤一致。根據(jù)圖1顯示，在軟基深度為20m時，其中心點的豎向變形大于路基兩側(cè)，呈一盆狀沉降形式。但由于粘性土路堤的自重荷載比粉煤灰大1.6倍，所以在同一高度下，粘性土路堤的豎向變形和水平位移均比粉煤灰路堤大很多。由圖2看出，粘性土路堤高度分別為2m，5m，7m時，計算的豎向變形分別是粉煤灰路堤的1.65倍，1.86倍，1.99倍，說明路堤越高，粘性土路堤與粉煤灰路堤豎向變形之比就越大。

從表3的計算結(jié)果上看出，由于路堤荷載的增加，地基中的大主應(yīng)力、小主應(yīng)力、剪應(yīng)力和應(yīng)力水平都高于同等情況下的粉煤灰路堤。根據(jù)圖2不同高度粘性土路堤的固結(jié)過程曲線看出，粘性土路堤高度越大，其后期沉降越大，達(dá)到一定工后沉降所需的時間就越長。

表2 不同路堤高度粘土填料中心點沉降變形結(jié)果匯總(軟基深度20m) cm

表3 粉煤灰路堤與常規(guī)路堤中心地基土計算結(jié)果

圖1 粘性土路堤的固結(jié)過程地表沉降變形曲線（路堤高7m）

圖2 不同高度粘性土路堤的固結(jié)過程曲線

3 工程實例分析

湖南某高速軟基段在路堤填筑高度較大的地段采用了粉煤灰路堤形式，粉煤灰路段樁號為:K20+125～K20+835和K22+032～K22+193兩段，其觀測點主要有:K20+520，K22+098。這些觀測點處各層土的力學(xué)參數(shù)見表4。

表4 各層土力學(xué)參數(shù)簡表

根據(jù)以上土層參數(shù)，我們分別利用二維比奧固結(jié)有限元法計算了粉煤灰路堤和同等高度粘性土路堤的沉降情況和最終沉降量。并根據(jù)現(xiàn)場實際觀測結(jié)果，利用雙曲線法計算了粉煤灰路堤的最終沉降量。計算結(jié)果分別見表5和圖3，圖4。

表5 粉煤灰路段的計算結(jié)果分析

圖3 K20+520斷面沉降變形計算結(jié)果

圖4 K22+098斷面沉降變形計算結(jié)果

根據(jù)以上各點計算結(jié)果可以看出，粉煤灰路堤的實際沉降和計算沉降都比同高度常規(guī)粘性土路堤低得多，同上節(jié)的計算分析結(jié)果類似，兩個斷面粉煤灰路堤沉降分別只有粘性土路堤沉降的0.50倍，0.55倍。由于粉煤灰路堤最終沉降量小，固結(jié)變形發(fā)展較快，有利于減小路堤的工后沉降。同時，由于粉煤灰路堤的自重輕，在地基中產(chǎn)生的附加應(yīng)力小，在同一地點，粉煤灰路堤的極限填筑高度將大于常規(guī)路堤，粉煤灰填筑路堤還可以減少由于路堤沉降而造成的后期補(bǔ)載工作量。

4 結(jié)論

1)粘性土路堤的沉降變形規(guī)律基本和粉煤灰路堤一致。但由于常規(guī)粘性土路堤的自重荷載比粉煤灰大1.6倍，所以在同一路堤高度下，地基中的大主應(yīng)力、小主應(yīng)力、剪應(yīng)力和應(yīng)力水平都高于同等情況下的粉煤灰路堤。

2)在某些常規(guī)路堤應(yīng)用需要進(jìn)行處治的地段，如果采用粉煤灰路堤便可以減少處治措施甚至不處治，從而大大節(jié)省工程費用。

［1］JTJ 017-96，公路軟土路基路堤設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］張誠厚.高速公路軟基處理［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997.

［3］錢家歡，殷宗澤.土工原理及計算［M］.第2版.北京:中國水利水電出版社，2000.