深厚淤泥路基填筑及對周邊環(huán)境影響的數(shù)值分析

徐媛媛

（福建省建筑科學(xué)研究院，福建福州　350025；福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室，福建福州　350025）

深厚淤泥路基填筑及對周邊環(huán)境影響的數(shù)值分析

徐媛媛

（福建省建筑科學(xué)研究院，福建福州350025；福建省綠色建筑技術(shù)重點實驗室，福建福州350025）

淤泥具有低滲透、高含水、高壓縮等特點，以此為基礎(chǔ)的路基在填筑時需對淤泥層進(jìn)行處理以達(dá)到工程安全和使用的要求.某區(qū)中央大道為深厚淤泥路基，填筑時采用“碎石樁+超載預(yù)壓”的方法對深厚淤泥層進(jìn)行處理.利用數(shù)值模擬的方法，計算分析該路基填筑及后期運營時的沉降及其對周邊環(huán)境影響的范圍及程度，針對現(xiàn)場調(diào)查和計算結(jié)果給出深厚淤泥路基的加固措施及計算建議.對于深厚淤泥路基填筑所采用的計算分析方法可為類似工程設(shè)計提供參考.

深厚淤泥路基；路基填筑；路基沉降；數(shù)值模擬

【引用格式】徐媛媛.深厚淤泥路基填筑及對周邊環(huán)境影響的數(shù)值分析［J］.北華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016，17（3）:390-396.

公路路面整體的強(qiáng)度和剛度決定于路基強(qiáng)度和變形的特征，路基填筑必然引起下部土體的振動，從而造成土體內(nèi)孔隙壓縮、側(cè)向排擠以及排水固結(jié)等現(xiàn)象，進(jìn)而造成土體結(jié)構(gòu)錯位、路基沉降、路基塌陷等問題.由于軟土具有含水量、孔隙比大，抗剪強(qiáng)度、滲透性低，壓縮性、靈敏性高等特征，對于淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土等軟土地區(qū)，這些問題更為突出，軟土地段路基填筑沉降處理也更為棘手.路基沉降不僅是學(xué)術(shù)研究的難點，亦是高速公路工程建設(shè)中不容忽視的問題.

目前，路基沉降計算的主要方法大致有三類:一是理論公式法.利用經(jīng)典土力學(xué)并引入相應(yīng)的假定通過較少的參數(shù)對沉降進(jìn)行計算，如分層總和法；二是數(shù)值分析法.根據(jù)固結(jié)理論及各種土體的本構(gòu)模型通過計算機(jī)進(jìn)行模擬計算，比如有限單元法；三是通過觀測資料的回歸分析，利用曲線擬合等各種方法分析沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行沉降預(yù)測，這種方法需要的數(shù)據(jù)量大.由于數(shù)值方法可以對路基填筑過程中內(nèi)外部環(huán)境進(jìn)行模擬，比較全面地考慮了土體變形特征和各種邊界條件，計算結(jié)果較精確，因而得到了越來越廣泛的應(yīng)用.本次研究針對某道路深厚層淤泥路基，利用有限單元法對填筑過程進(jìn)行模擬及計算，以得到最終沉降量，分析路基沉降對于周邊環(huán)境的影響.

1　工程概況及模型構(gòu)建

某區(qū)中央大道道路工程全長2 774.82m，道路幅寬50m，反壓護(hù)坡寬度10m，填方路堤邊坡坡比為1 ∶1.5，挖方邊坡1∶1，路基外側(cè)設(shè)邊溝，用以排除路基水，見圖1.路基填料采用山皮石、砂及砂性黏土.該道路工程場地原地貌屬海積灘涂區(qū)，地勢平坦開闊，經(jīng)圍墾后改造成人工養(yǎng)殖場，路軸線及周邊主要分布魚塘、河道等，見圖2.場地34.7m深度范圍內(nèi)自上而下劃分為土、淤泥、中粗砂和卵石等4個工程地質(zhì)層.淤泥土層厚度大且深淺不一，最大淤泥層厚達(dá)33m，容許承載力60 kPa，具有孔隙比大、含水量高、強(qiáng)度低等特征，其工程地質(zhì)條件不能滿足路基強(qiáng)度及沉降的要求.對于淤泥層厚度大于3m地段進(jìn)行碎石樁超載預(yù)壓處理，處理深度15m，正方形布置，樁間距為2.5m，樁徑為0.5m.

道路標(biāo)段K0+0—360西側(cè)分布大量的房屋，路基填筑對其影響的范圍及程度值得關(guān)注.施工前，采用有限元數(shù)值方法模擬了路基填筑的過程，預(yù)估路基填筑和道路后期運營對周邊影響的范圍及其程度.根據(jù)路基填筑的高度和房屋分布的區(qū)域大小選取K0+45為標(biāo)準(zhǔn)計算斷面，該斷面所在區(qū)域的道路平均填筑高度為4m，最遠(yuǎn)房屋距離道路路面中心160m，其平面位置見圖2.

在有限元軟件中建立計算模型（圖3），模型寬182m，考慮了包括路基填土層在內(nèi)34m深度范圍內(nèi)的6個工程地質(zhì)層，用復(fù)合地基等效替代碎石樁，路基頂部向下分別為1.3m厚砂質(zhì)黏土、1.0m厚拋石填土，接著鋪設(shè)50 cm厚的碎石墊層以及雙向土工格柵，隨后是1.2m厚拋石層、15m厚樁土復(fù)合地基、25m厚淤泥層、3.5m厚中粗砂層、1.5m厚卵石層.網(wǎng)格的基本單元類型為15節(jié)點的三角形單元，模型的網(wǎng)格劃分見圖4所示.

2　巖土參數(shù)及計算工況

分別對填筑和施加交通荷載兩個階段進(jìn)行計算.填筑階段，路基的填筑速率為10 cm/d，一期填筑27 d，預(yù)壓240 d，二期填筑13 d，最后計算至固結(jié)穩(wěn)定.路基施工過程簡化為兩次填筑進(jìn)行模擬，一期填筑為下路堤填筑階段，包括填筑1.2m拋石、0.5m碎石墊層，鋪設(shè)土工格柵，填筑1m拋石形成護(hù)坡；二期填筑為上路堤填筑階段，在一期填筑完成后預(yù)壓8個月（每月按30 d計）后再回填至設(shè)計高程.

在交通荷載階段，用動荷載模擬車輛對路面及路基的作用，參考《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，用于計算的動荷載峰值為10 kPa，周期為10 s（圖5）.計算時，施加動力5 s，自由振動5 s.考慮最不利情況，交通荷載采用路面滿鋪方式布置.

計算時將碎石樁和樁間土視作復(fù)合地基進(jìn)行處理，按式（1）～（3）計算并得到復(fù)合地基的巖土參數(shù):

其中:cs，cp為樁間土和樁體的內(nèi)聚力；φs，φp為樁間土和樁體的內(nèi)摩擦角；m為復(fù)合地基置換率；Ap為樁體面積；A為對應(yīng)的加固面積.

路基土體固結(jié)，土體內(nèi)孔隙水被排除，土體被壓密，一期和二期填筑固結(jié)完成后土體參數(shù)較之前有所提高.計算時的相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)見表1和表2.

表1　各土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1　Physical and mechanical parameters of the soil

表2　淤泥和復(fù)合地基不同計算階段的物理力學(xué)參數(shù)Tab.2　Physical and mechanical parameters of sludge and composite foundation in different stages

3　計算結(jié)果與分析

3.1超靜孔壓及應(yīng)力分析

由圖6可知:填筑階段，隨著加載的進(jìn)行，地基土的超靜孔壓逐漸增加；隨著填筑結(jié)束和時間的推移，地基土中的孔隙水逐漸排除，超靜空隙水壓力逐步接近完全消散，速率逐漸降低，此時固結(jié)過程尚未完全完成；隨時間的推移孔隙水壓減小達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時地基固結(jié)完成.路基固結(jié)穩(wěn)定需要大約500 d.

初始狀態(tài)應(yīng)力呈水平層狀分布（圖7），應(yīng)力值隨深度的增加逐漸提高.填筑后，應(yīng)力總體上仍呈水平層狀分布，復(fù)合地基下部區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力增大現(xiàn)象（圖8～9）；隨著與路基中心距離的增加，填筑引起的應(yīng)力變化逐漸降低；填筑后應(yīng)力值較初始狀態(tài)有所增加，二期填筑較一期填筑應(yīng)力有所增加；施加交通荷載后，應(yīng)力分布變化不大（圖10），與填筑后的結(jié)果相比，增加不明顯.

3.2路基總體沉降分析

由圖11～13的對比可以看出:路基填筑后發(fā)生沉降，隨著深度的增加，沉降逐漸減??；兩側(cè)地表沉降較小，下路堤表面沉降最大；沉降值隨著時間逐漸累積增大；一期填筑后，隨著土體的固結(jié)，沉降差逐漸減小，二期沉降值較一期填筑后有所減小；施加交通荷載后，沉降值增加較小，可見在土體固結(jié)完成穩(wěn)定后，隨著時間的推移，交通荷載對路基的影響也在逐漸減小.

3.3截面沉降分析

為了系統(tǒng)歸納分析各區(qū)域變形情況，數(shù)值模擬時選取路基中心縱截面A-A'，路面水平位置橫截面B-B'，地面水平位置橫截面C-C'3個剖面進(jìn)行沉降分析.3個截面的位置見圖14，沉降曲線見圖15～17.

由圖15可以看出:路基的沉降與深度相關(guān)，深度越大，沉降越小，最大沉降在路面位置交通荷載階段較填筑階段沉降值有所增加.由圖16可知:路面沉降與距離路面中心的位置相關(guān)，距離越遠(yuǎn)，沉降越小，路面存在不均勻的沉降現(xiàn)象.填筑階段結(jié)束后，路面中心總沉降值最大為63.23 cm，路面邊緣總沉降值最小為50.15 cm，兩處沉降差為13.08 cm；施加交通荷載后，總沉降有所增加，路面中心總沉降值為70.30 cm，路面邊緣總沉降值為56.24 cm，兩處沉降差為13.06 cm.

由圖17可知:填筑階段，地面沉降值與路面的水平距離相關(guān)，距離路面中心越遠(yuǎn)，沉降值逐漸減小.距離路面中心50m處開始出現(xiàn)隆起，隆起最大值為4.6 cm，隨著距離的增大，隆起慢慢減弱.距離路面中心45～65 m范圍為傾斜區(qū)域，傾斜值最大為9.98‰，超出規(guī)范允許值（3‰）；距離路面中心65～90m范圍為隆起區(qū)域，傾斜率為0.78‰，符合《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》在高壓縮土地區(qū)對砌體承重結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)變形局部傾斜的要求.交通荷載階段，地面沉降部分的沉降值較填筑階段有所增加，距離路面中心55m處出現(xiàn)隆起，隆起的范圍和隆起的數(shù)值較填筑階段都有所減小；距離路面中心45～65m范圍為傾斜區(qū)域，傾斜值最大為5.5‰，超出規(guī)范允許值（3‰）；距離路面中心65～90m范圍為隆起區(qū)域，傾斜率幾乎為零，符合規(guī)范要求.

3.4監(jiān)測點沉降分析

計算時設(shè)置了監(jiān)測點以便監(jiān)測土體在固結(jié)過程和施加交通荷載過程的變化情況.路基部分監(jiān)測點包括路面中心監(jiān)測點A、上路堤坡腳B、下路堤坡腳C，地面位置監(jiān)測點包括D，E，F(xiàn)，G，H等5個重要監(jiān)測點，分別位于距離路面中心40，50，60，70，90m處，見圖18.計算后繪制這兩部分監(jiān)測點的沉降時程曲線，分別見圖19、圖20.其中，監(jiān)測點A，B的沉降時程曲線為累計沉降，從施工的第267天開始進(jìn)行上路堤的填筑.

填筑階段監(jiān)測點A，B，C的沉降時程曲線見圖19（正號表示隆起，負(fù)號表示沉降）.由圖19可以看出:隨著填筑的進(jìn)行，荷載不斷增大，土體中的孔隙水逐漸排出，監(jiān)測點A，B的沉降呈線性增加；填筑結(jié)束荷載不再增加，土體固結(jié)尚未完成，監(jiān)測點的沉降隨時間的推移繼續(xù)增加，但沉降速率減小；隨著時間的增加，大約50 0 d路基沉降趨于穩(wěn)定.監(jiān)測點C位于下路堤坡腳處，一次填筑階段，土體在不斷增加的荷載作用下固結(jié)，沉降呈線性增長.填筑結(jié)束后，荷載不再增加，土體繼續(xù)固結(jié)，沉降速率降低，沉降趨于穩(wěn)定；隨著二次填筑的進(jìn)行，土體再次受到荷載作用，沉降迅速增大，因為一次填筑時土體受壓固結(jié)，土體已經(jīng)壓密，所以二次填筑后可以看到C點沉降的增大速率明顯低于一次填筑.同樣，隨著時間的推移，500 d時C點的沉降已經(jīng)完全穩(wěn)定，說明路基土體已經(jīng)完成固結(jié).

由圖20可以看出:在施加交通荷載階段，0～2.5 s荷載由0加至峰值10 kPa，監(jiān)測點A，B，C 3點的沉降值不斷增大；2.5～5 s荷載逐漸減小到0，沉降持續(xù)增加，但是沉降增加速率較前階段明顯變緩；停止施加荷載，沉降逐漸減小并趨于穩(wěn)定.在施加交通荷載的過程中，路面沉降始終是點A大于點B大于點C，監(jiān)測變化幅度也是點A大于點B大于點C.由此可見，當(dāng)與加載區(qū)域的距離逐漸增加時，由于能量向四周擴(kuò)散，位移響應(yīng)逐漸降低，而且隨著時間的延續(xù)，位移響應(yīng)逐漸趨于穩(wěn)定.

由圖21可以看出:由于監(jiān)測點D距離路基較近，發(fā)生沉降，而監(jiān)測點E～H位移為正值，該點所在區(qū)域發(fā)生隆起.一期填筑時，荷載增加，沉降迅速增加；填筑結(jié)束后，沉降增加逐漸變緩；二次填筑階段，地面土體受擠壓發(fā)生隆起，點D體現(xiàn)為沉降值減少，點E～H表現(xiàn)為隆起值迅速增加.隨著填筑的結(jié)束，地基土持續(xù)固結(jié)，點D的沉降量有所增加并逐步變化到穩(wěn)定狀態(tài)，而點E～H隆起值逐步降低至穩(wěn)定.點F的隆起最大，點G次之，H最小，結(jié)合各點的位置可知，隨著距離路面中心距離的增加，隆起先增大后減小.

在交通荷載階段，0～2.5 s荷載由0加至峰值10 kPa，監(jiān)測點D～H 5點的位移值不斷增大；2.5～5 s荷載逐漸減小到0，位移持續(xù)增加，但是位移增加速率較前階段明顯變緩；停止施加荷載，位移逐漸減低并趨于穩(wěn)定.同樣，距離加載區(qū)域越遠(yuǎn)，受交通荷載的影響越小.

4　結(jié)論與建議

1）路基的應(yīng)力呈水平層狀分布，隨著填筑的進(jìn)行，路基的應(yīng)力會增大，路面下方復(fù)合地基部位會出現(xiàn)局部的應(yīng)力增大；路基填筑完成且固結(jié)穩(wěn)定后，施加交通荷載，路基應(yīng)力變化不明顯，交通荷載對路基的應(yīng)力擾動較小.

2）路基的沉降與深度相關(guān)，深度越大，沉降越小，最大沉降在路面位置.填筑階段沉降變化大，沉降值持續(xù)增加；固結(jié)穩(wěn)定后，交通荷載會引起路基沉降，但是影響不大.

3）由于淤泥天然含水量高、壓縮性大，土體在固結(jié)排水的過程中會發(fā)生沉降.淤泥具有流動性，受到兩側(cè)固定邊界的影響，土體局部會發(fā)生隆起，距離路面中心41～65m范圍內(nèi)傾斜率較大，超出規(guī)范要求，需要進(jìn)一步監(jiān)測，必要時要采取適當(dāng)?shù)募庸檀胧?；距離路面65～90m范圍內(nèi)，地面隆起，傾斜幾乎為零，路基填筑和運營對該區(qū)域影響較小.

4）本文將碎石樁及樁間土視作復(fù)合地基進(jìn)行計算，對于樁及樁間土的相互作用研究不足.尚可對樁體進(jìn)行模擬，以便得到更精確的結(jié)論.同時，為了方便計算，對施工過程進(jìn)行了一定程度的簡化，分為一次填筑、二次填筑及交通荷載等3個階段進(jìn)行分析，尚可對施工過程進(jìn)行進(jìn)一步的細(xì)化分析.

5）本次研究提供了一種關(guān)于深厚淤泥路基處理、填筑以及道路后期運營的計算模擬方法，可為類似的工程研究提供參考.通過數(shù)值模擬計算，對淤泥路基填筑過程中對周邊環(huán)境的影響范圍和影響程度做出了預(yù)估和評價，對實際工程施工具有指導(dǎo)意義.

［1］張永宏，孫治育，王志華，等.低滲透性深厚淤泥路基超載預(yù)壓處理技術(shù)研究［J］.公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2013 （3）:129-132.

［2］馬南飛.高速公路軟土路基沉降規(guī)律監(jiān)測及FLAC模擬［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報，2007，27（2）:251-254.

［3］董漢剛，胡建軍.高速公路軟土路基沉降機(jī)理及計算方法［J］.巖土力學(xué)，2002，23（增刊）:96-98，102.

［4］薛祥，宋連亮，賈亮，等.高速公路軟土路基工后沉降預(yù)測的新方法［J］.巖土工程學(xué)報，2011，33（增刊1）:125-130.

［5］吳俊，陳開圣，龍萬學(xué).高填方路基沉降變形有限元數(shù)值模擬［J］.公路工程，2009，34（2）:27-29，33.

［6］付宏淵.路基沉降計算影響因素及預(yù)測方法研究［J］.中外公路，2007，27（5）:53-55.

［7］吳立堅，鄭甲佳，鄧捷.高液限土路基的沉降變形規(guī)律［J］.巖土力學(xué)，2013，34（增刊2）:351-355.

［8］韓相超，呂遠(yuǎn)強(qiáng).內(nèi)蒙古黃旗海濕地軟土路基的沉降規(guī)律分析［J］.中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，2013，24（1）:75-78.

［9］龔曉南.地基處理手冊［M］.3版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

【責(zé)任編輯：郭偉】

Numerical Analysis on Deep Sludge Subgrade Filling and Its Impact on Surrounding Environment

Xu Yuanyuan
（Fujian Academy of Building Research，F(xiàn)uzhou 350025，China；Fujian Provincial Key Laboratory of Green Building Technology，F(xiàn)uzhou 350025，China）

Sludge has the characteristics of low permeability，high property and high compressibility. When the deep sludge taken as subgrade，it has to be treated in order to meet the requirements of the safety and use of the engineering. The subgrade of the main street in a district is the deep sludge，the gravel pile and the surcharge preloading is taken to deal with the deep sludge during the roadbed construction. The method of numerical simulation and analysis is used to calculate and analyze the settling of the subgrade filling and its effect on the surrounding environment. Finally，based on the field investigations and the results of calculation，some reinforcements of the deep sludge subgrade filling and the advice of the numerical simulation are introduced . The methods of calculation and analysis used in this paper can provide a reference for other engineering of the deep sludge subgrade filling.

deep sludge subgrade；subgrade filling；subgrade settling；numerical simulation

U416.1

A

1009-4822（2016）03-0390-07

10.11713/j.issn.1009-4822.2016.03.026

2016-01-08

福建省科技計劃重點項目（2012Y0020）.

徐媛媛（1989-），女，碩士，助理工程師，主要從事邊坡、基坑等的計算支護(hù)、巖體結(jié)構(gòu)研究，E-mail:jelly89124@sina.com.