改性前后高液限粘土填筑路堤變形特性分析

於文超

(江蘇博創(chuàng)工程設(shè)計(jì)院有限公司)

長(zhǎng)深高速G25河源段所經(jīng)區(qū)域的不良路基主要為高液限粘土(弱～中等膨脹性)，其大部分位于挖方路塹地段，高液限粘土的強(qiáng)度較低，很難達(dá)到規(guī)范的強(qiáng)度(CBR值)要求，不能直接做為路堤填料。在勘察階段發(fā)現(xiàn)沿線(xiàn)沒(méi)有合適的可直接用于路堤填筑的土體，設(shè)計(jì)時(shí)不得不用沿線(xiàn)的高液限粘土來(lái)填筑路堤，但其含水量高，路基壓實(shí)度難以保證，特別是路床部分的彎沉指標(biāo)更難以滿(mǎn)足要求。因此，對(duì)高液限粘土路基改性前和改性后的變形特性與填筑效果進(jìn)行計(jì)算是必要的。

1 模型構(gòu)建

根據(jù)高液限粘土路基的實(shí)際情況，選取路堤上部寬12.25 m，填土高度6 m，邊坡坡度1∶1.5;地基計(jì)算深度為2倍的路堤高度，即12 m;地基計(jì)算寬度為2倍的路堤底面寬度，即85 m。由于幾何實(shí)體及受力模式沿中央隔離帶對(duì)稱(chēng)分布，計(jì)算時(shí)選取幾何實(shí)體的一半，即半幅路基進(jìn)行建模，計(jì)算中采用平面應(yīng)變問(wèn)題求解。由于計(jì)算重點(diǎn)是高液限粘土填筑對(duì)路基沉降變形的影響，所以對(duì)表層土體單元網(wǎng)格加密，以提高計(jì)算精度。計(jì)算幾何模型見(jiàn)圖1。

圖1 計(jì)算幾何模型

荷載分為內(nèi)部荷載(自重)和外部荷載(路面結(jié)構(gòu)重及行車(chē)荷載)。路堤填筑完成后，自重引起的變形絕大部分已完成，剩余的蠕變變形可忽略不計(jì)。計(jì)算時(shí)只考慮外部荷載引起的變形。根據(jù)粵交基［2003］882號(hào)初步設(shè)計(jì)對(duì)路面結(jié)構(gòu)的要求，其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 路面結(jié)構(gòu)形式

2 變形特性分析

2.1 改性前路堤的變形特性

高液限粘土改性前，路堤土壓縮模量分別取4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa 和 12 MPa。路堤土的其他參數(shù)為:粘聚力C=50 kPa、內(nèi)摩擦角φ=18°;路基土的參數(shù)為:壓縮模量E=14 MPa、泊松比μ=0.25、粘聚力C=34 kPa、內(nèi)摩擦角φ=19°。圖2、圖3是高液限粘土改性前豎向位移和水平位移的等值矢量云圖。

圖2 路堤土豎向位移等值線(xiàn)圖

圖3 路堤土水平位移等值線(xiàn)圖

在荷載作用下，高液限粘土路堤的豎向變形隨路堤深度的增加而減小，在路堤中線(xiàn)處變形最大，路肩及坡面處豎向變形逐漸減小，坡腳以外地表處幾乎不發(fā)生豎向變形。高液限粘土路堤水平位移的最大值出現(xiàn)在路肩處，路基的水平位移隨路基深度增加而增加，但到達(dá)一定值后，又隨路基深度增加而減小。

從圖4中可以看出，沉降值由路堤中線(xiàn)向兩側(cè)逐漸減小，路堤中線(xiàn)處沉降值最大，坡腳以外地表處沉降值幾乎為零。壓縮模量的變化對(duì)路堤頂面的影響最大，當(dāng)壓縮模量由4 MPa增至12 MPa時(shí)，路堤中線(xiàn)處的沉降由22.2 cm減小至14.6 cm，前者變形比后者變形大52%。這說(shuō)明通過(guò)增大路堤填土壓縮模量的方法可以明顯減小路堤沉降，提高路堤的強(qiáng)度和穩(wěn)定性。圖中的負(fù)號(hào)表示土體在荷載作用下產(chǎn)生沉降，向下運(yùn)動(dòng)。

從圖5可以看出，在坡腳處沿地基深度方向，隨著深度的增加，地基土水平位移的數(shù)值先逐漸增大，在距坡腳4.5 m左右處達(dá)到最大值，然后逐漸減小，在距坡腳12 m左右處不發(fā)生水平位移。隨著路堤土壓縮模量的增大，地基水平位移略有增大，如E=4 MPa時(shí)，地基水平位移最大值為1.39 cm，E=12 MPa時(shí)，地基土水平位移最大值為1.47 cm。這表明在荷載作用下，隨著路堤剛度的增加，荷載對(duì)地基的影響變小。圖5的負(fù)號(hào)表示地基深度，距坡腳的距離。

圖4 壓縮模量對(duì)路堤頂面、坡面及地表沉降的影響

圖5 壓縮模量對(duì)坡腳處地基的水平位移影響

2.2 改性后路堤的變形特性

改性后高液限粘土路堤土壓縮模量分別取16 MPa、18 MPa、20 MPa、22 MPa 和24 MPa，路堤土的其他參數(shù)為:粘聚力C=150 kPa、內(nèi)摩擦角φ=30°。圖6、圖7是高液限粘土改性后壓縮模量對(duì)路堤頂面、坡面及地表的沉降和坡腳處地基水平位移的影響曲線(xiàn)。

圖6 壓縮模量對(duì)路堤頂面、坡面及地表沉降的影響

從圖6中可以看出，改性后高液限粘土路堤的壓縮模量由16 MPa增至24 MPa時(shí)，路中線(xiàn)處沉降值由13.6 cm減小至12.7 cm，這說(shuō)明改性后高液限粘土路堤的壓縮模量達(dá)到16 MPa時(shí)即可滿(mǎn)足工程要求，通過(guò)提高改性后高液限粘土壓縮模量來(lái)減小路堤沉降的方法并不明智。與圖4對(duì)比可以看出，改性后高液限粘土路堤沉降明顯減小，例如改性前路堤中線(xiàn)最大沉降為22.2 cm;改性后路堤中線(xiàn)沉降最大值為13.6 cm。

圖7 壓縮模量對(duì)坡腳處地基的水平位移影響

與圖5相比，圖7表明改性后的高液限粘土路堤在坡腳處的水平位移增大，例如改性后壓縮模量E=24 MPa時(shí)，坡腳處水平位移為0.71 cm。改性后高液限粘土地基的最大值出現(xiàn)在距坡腳4.5 m處，隨著壓縮模量的增大，水平位移最大值也略有增大。因此，改性后的高液限粘土地基水平位移比改性前略有增大。

3 結(jié)論

通過(guò)仿真技術(shù)模擬高液限粘土路堤的變形性狀，在對(duì)不同影響因素作用下的變化規(guī)律分析后，可以得出以下結(jié)論。在相同荷載作用下，改性后高液限粘土路堤頂面、坡面及地表沉降小于改性前高液限粘土路堤，坡腳處地基水平位移較改性前略有增加，但屬于可控范圍內(nèi)。若改性方法得當(dāng)，改性后的高液限粘土可作為路堤填筑材料。

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