基于堆填厚度及填筑速率的拓寬路基變形研究

盧業(yè)旭，孫少銳

（河海大學地球科學與工程學院，江蘇南京 210098）

在我國東南沿海地區(qū)，軟土分布較廣。在軟土地基上修建高填方路基，路基的不均勻沉降是最常見的病害。一般認為，填筑速率與路基的工后沉降關(guān)系密切［1］，因此在工程實踐中，對于路基的填筑速率有嚴格的規(guī)定，特別是對于高填方軟土地基，對填筑速率的控制更為重要。國內(nèi)對高填方路基和軟土路基的填筑速率研究已初見成效［2－4］，但對于填筑厚度的相關(guān)研究并不多見。在路基加寬工程中，更應該注重工后沉降與不均勻沉降的問題［5－7］。本文所選工程為臨水高吹填路堤結(jié)合工程，在國內(nèi)尚無很成熟的研究經(jīng)驗，具有較高的科研價值。

本論文以南京濱江大道高等級道路拓寬工程為依托，結(jié)合變形等監(jiān)測資料，對處治效果進行評價驗證，建立了新老路堤拼接結(jié)構(gòu)的有限元模型，施工過程中采用分層填土，對層厚10、20、30 cm的填土層分別進行計算，同時將填筑速率控制在0.5、1、2、3 m/月，對比分析路基的總沉降量、工后沉降和差異沉降，結(jié)合超靜孔壓的消散情況，提出一個合理的填筑速率以及填土層厚，對軟基上的路基拓寬施工進行理論參考。

1 工程概況

南京市浦口濱江大道（浦口新城段）第二標段（標段樁號為 K10+000～K14+759.761）位于浦口區(qū)東側(cè)，緊鄰長江。工程所在地區(qū)主要為長江中下游沖積平原，軟土廣泛分布。根據(jù)勘察報告，場地地表出露及野外勘探深度90 m以內(nèi)揭露有第四系人工填土層（Qme）和第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al）以及白堊系下統(tǒng)浦口組上段（K1p2）泥質(zhì)粉砂巖、泥巖。按照不同的堆積、沉積環(huán)境特點和形成次序，由上往下大致分為四層:第一層為魚塘、溝渠表層淤泥土和雜填土，整個場地分布，厚度為1.5～6.5 m;第二層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土～淤泥質(zhì)粘土，層厚5.4～16.6 m;第三層為粉質(zhì)粘土與粉土互層，其中粉質(zhì)粘土以軟塑狀為主，局部可塑，厚度3.0～16.0 m;第四層為細砂加粉質(zhì)粘土，層厚一般為10.0 ～20.0 m。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

本文運用有限元軟件對南京浦口濱江大道試驗段K11+500斷面進行建模，模型如圖1所示。計算中考慮到填土影響范圍，模型取寬度為140.0 m，路堤下地基土取至深度35.0 m，路堤高度約5.0 m，路堤頂面寬度42.0 m，路堤下主要為吹填砂回填層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層、粉質(zhì)粘土與粉土互層和細砂夾粉質(zhì)粘土層。路堤主要為吹填砂和路基填土組成，兩側(cè)擴寬部分下部軟基采用排水板處理，雙側(cè)拓寬路基模型中排水板處理淤泥質(zhì)土的厚度右側(cè)約為7.0 m，左側(cè)約為6.0m。同時取老路基下部粉質(zhì)粘土層中A點，路基右側(cè)排水板下部粉質(zhì)粘土層中B點作為孔壓的觀測點，用以觀測超靜孔壓的消散狀況。模擬過程中通過填土層的加載間隔來控制填筑速率，同時在考慮不同的填土層厚的條件下進行路基填土，分析路基沉降以及孔壓情況。

2.2 計算結(jié)果分析

2.2.1 模型合理性驗證

特征斷面實際施工的填土層厚為20 cm，由于位于濱江地區(qū)，受長江汛期與降水的影響，施工速率不能保持恒定;由于排水板的實際排水效果與模型中的排水效果有差異，導致在施工過程中的實測沉降數(shù)值與模型模擬所得數(shù)值不能很好地吻合。但在總的沉降量上二者基本保持一致，實測數(shù)據(jù)的竣工沉降量為1 238 mm，模型計算得到的竣工沉降量為1 245 mm，證明了數(shù)值模擬的合理性。表1列出了特征斷面部分實測沉降數(shù)據(jù)。

表1 特征斷面實測沉降數(shù)據(jù)Tab.1 The settlement data of characteristic section

表2 不同填土層厚與填筑速率下路基沉降表Tab.2 The settlement table of different dumping thickness and filling velocity

2.2.2 總沉降分析

針對特征斷面，分別使用厚度10、20、30 cm的填土在 50、100、200、300 cm/月的填筑速率的條件下下對路基進行施工。

由表2可知:當填筑速率較小時，路基的竣工沉降量較大，而隨著填筑速率的增加，軟土中的超孔隙水壓力隨之增大，路基的竣工沉降量在減小，但是變化并不明顯。由于排水板的處理深度達到15～16 m，而填土的影響范圍主要位于這一層，因此超靜孔壓的消散較快，填筑速率的對竣工沉降量的影響相對小。

隨著填土層厚的增加，在較低的填筑速率下竣工沉降量變化不大，但是隨著填筑速率的增加，竣工沉降量差異開始凸顯，同是在300 cm/月的填筑速率下，10 cm層厚填土的竣工沉降量為126 cm，30 cm層厚填土的竣工沉降量為124 cm，對需要嚴格控制的工后沉降影響比較明顯。而填筑速率只影響路基的沉降過程，路基的最終沉降量取決于填土高度，因此填筑速率對路基的最終沉降量沒有影響。

2.2.3 工后沉降以及差異沉降分析

設(shè)置新填路基左路肩為零點，在填土施工結(jié)束后直至超靜孔壓力消散為0這段時間里，路基頂面的各點的工后沉降如圖2。

從圖2可以得出以下結(jié)論:在當填土層厚相同時，填筑速率越快，工后沉降越大;填筑速率越低，工后沉降越小。因為在發(fā)生固結(jié)沉降過程中，孔隙水壓的消散需要一定的時間，在竣工時孔壓并沒有完全消散，施工速率越快，由于固結(jié)時間不夠，孔壓的消散主要是在工后完成，因此最后的工后沉降就越大。

填筑速率相同時，當填土速率為200 cm/月和300 cm/月時，10 cm層厚產(chǎn)生的工后沉降最小，30 cm工后沉降最大;而當填土速率為50 cm/月和100 cm/月時，20 cm層厚填土的工后沉降最小。

對比相同層厚填土在不同填筑速率下的沉降，10 cm層厚填土50 cm/月的填筑速率下工后沉降最大值為1.80 cm，最小值為0.66 cm，工后差異沉降為1.14 cm。而在300 cm/月的填筑速率下，工后差異沉降則為4.54 cm。在30 cm層厚填土，300 cm/月的填筑速率下，工后差異沉降為4.87 cm?？梢姡S著填筑速率的增加，工后差異沉降越明顯。較大的工后差異沉降不利于之后的路面施工，易引起路面開裂等情況，影響車輛正常行駛。

對比計算結(jié)果中12種曲線，在50、100 cm/月速率下各層厚的填筑方案最終產(chǎn)生的工后沉降都很小，其中20 cm層厚填土在100 cm/月的速率下的最終工后沉降最小，而30 cm層厚在300 cm/月速率下填筑后最終的工后沉降最大。

老路基經(jīng)過多年運營，沉降已經(jīng)比較穩(wěn)定，而拓寬部位的新路基是在吹填砂的基礎(chǔ)上進行施工，所以新路基的固結(jié)程度要低于老路基，所以新路基的沉降主要是在填土施工過程中完成。而在施工結(jié)束后，整個斷面的沉降最大值出現(xiàn)在原老路范圍內(nèi)，最大工后沉降點近似出現(xiàn)在老路面的中線位置，路基右側(cè)沉降差較小。主要是因為:在路基右側(cè)下部排水條件較好，整個區(qū)域都有塑排水板，在施工期間，排水條件較好，在上部荷載作用下孔壓能很快消散，沉降主要發(fā)生在施工過程中，最終這個區(qū)域工后沉降較小。在原老路區(qū)域，不設(shè)有排水板，下部土層為粉質(zhì)粘土，透水性較差，從右邊靠近老路位置雖然有排水板，但排水路徑較長，孔壓消散也很慢，在竣工后存在較大孔壓，運營期由于孔壓消散引起的工后沉降也較大。

2.2.4 超靜孔隙水壓力分析

孔隙水壓力也是控制填筑速率的重要指標之一，由于孔壓的消散只與填土速率有關(guān)，所以取10 cm層厚的填土模型的孔壓消散情況作為參考。通過模型分析得知，超靜孔壓與填筑速率呈正比關(guān)系，即隨著填筑速率的增大，竣工時的超靜孔壓也隨著增大，在50 cm/月的填筑速率條件下，竣工時的最大超靜孔壓僅為8.47 kN/m2，而隨著填筑速率增大到 100 cm/月，最大超靜孔壓為17.33 kN/m2，而在 300 cm/月填筑速率條件下，最大超靜孔壓增大到30.68 kN/m2，超靜孔壓承擔了上部填土的荷載，延緩了路基的固結(jié)過程。

為了更詳細研究各填筑速率條件下孔隙水壓的變化過程，在模型中選擇A、B兩個特征點，研究各特征點的孔隙水壓隨時間的變化過程。圖3為模型中A、B兩點的超靜孔隙水壓力的消散情況。

從圖3（a）中可以看出，當填筑速率為50 cm/月時，A點在填筑初期達到最大超靜孔壓，為－14.538 kN/m2，在填筑過程中超靜孔壓持續(xù)消散，地基承載力在這一過程中不斷加高。在100、200 cm/月的填筑速率下，超靜孔壓在填土初期消散良好，隨著填土高度的增加，超靜孔壓開始緩慢增大，而在300 cm/月的填筑速率下，超靜孔壓持續(xù)增大，當填筑結(jié)束時，超靜孔壓達到最大值，為－22.551 kN/m2。從圖3（b）可以看出，B 點在第一層的吹沙階段孔壓增長迅速，達到－39.953 kN/m2，而在其上層的排水板打設(shè)之后，超靜孔壓在短期內(nèi)降到了－8.906 kN/m2，在之后的填土施工過程中，除了在300 cm/月的填筑速率下超靜孔壓還在持續(xù)增長，其他填筑速率下的超靜孔壓都消散良好，在這一過程中，排水板起到的排水降壓的作用十分明顯，填筑速率對于鋪設(shè)排水板區(qū)域軟土的固結(jié)過程影響不顯著。綜上所述，結(jié)合現(xiàn)場施工情況，選擇50、100 cm/月的施工速率較為合理。

3 結(jié)論

本文通過討論不同填土層厚與不同填筑速率對拓寬路基的影響，得出以下結(jié)論:

（1）當最終填土高度保持固定時，填筑速率主要影響竣工時的沉降量，在排水條件良好的情況下，孔隙水壓力消散及時，固結(jié)度隨著填筑速率的增加變化不大，可以適當?shù)募哟筇钪俾省?/p>

（2）由于老路基的固結(jié)程度要高于新填路基，在老路基下沒有打設(shè)排水板，老路基上覆的填土在施工階段沉降量小于兩側(cè)打設(shè)排水板的路段，因此存在較大的工后沉降，而新填路基的工后沉降小于老路基位置，這造成了較大的差異沉降。

（3）隨著填土層厚的增加，相同填筑速率下的填土差異沉降量也在變大，所以10 cm和20 cm層厚的填土要明顯優(yōu)于30 cm層厚的填土，考慮到施工的頻繁程度，20 cm填筑高度為宜。

（4）過快的填筑速率下，超靜孔壓不容易消散，影響路基穩(wěn)定，50～100 cm/月的填筑速率下孔壓消散良好，可作為施工參考。

［1］殷宗澤，朱 泓，吳 鈺.滬寧高速公路地基沉降有限元計算分析［J］.水利水電科技進展，1998（2）:27－31.

［2］左威，涂文靖.填土速率對軟土路基變形影響的數(shù)值分析［J］.華東交通大學學報，2010，27（8）:18 －21.

［3］涂文靖.澎湖高速公路軟土地基填土間隔時間對沉降的影響分析［J］.巖土工程學報，2011，33（1）:230 －233.

［4］李洪峰.填筑速率對高等級公路加寬工程路基變形影響的數(shù)值分析［J］.東北林業(yè)大學學報，2012，40（8）:96－99.

［5］鐘勇強，李 浩，徐 偉.軟土地基上路基加寬工程沉降變形的數(shù)值分析［J］.路基工程，2011（6）:162－165.

［6］唐朝生，劉義懷，施斌，等.新老路基拼接中差異沉降的數(shù)值模擬［J］.中國公路學報，2007，20（2）:13 －17.

［7］傅珍，王選倉，陳星光，等.新舊地基不同固結(jié)程度對拓寬路基差異沉降的影響［J］.公路，2008（5）:9－12.