不同路堤高度對路堤沉降及壓實度的影響分析

■肖芳芳

（福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所，福州 350004）

不同路堤高度對路堤沉降及壓實度的影響分析

■肖芳芳

（福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所，福州 350004）

針對潮濕多雨地區(qū)路堤土填筑特點，采用GeoStudio有限元軟件對路堤填筑過程進行應(yīng)力-滲流耦合模擬，研究不同路堤高度下路堤沉降和壓實度變化規(guī)律，分析結(jié)果可為類似工程的設(shè)計和施工提供參考。

路堤高度 沉降 壓實度 有限元

1 引言

福建地處中國東南部、東海之濱，該地區(qū)廣泛分布著含水率較大的潮濕性土，如高液限粘土、高液限粉土，其具有高含水率、高壓縮性、低強度、低滲透性等特點。在福建高速公路建設(shè)過程中，潮濕性土普遍存在，該類型土用于填筑路堤時，由于天然含水率高，且所處地區(qū)雨量豐富，含水率難于滿足規(guī)范要求，常導(dǎo)致填方路堤壓實度達(dá)不到控制標(biāo)準(zhǔn)，路堤工后沉降過大等問題。下面通過建立有限元模型，模擬不同公路路堤高度情況下潮濕土路堤工后沉降規(guī)律及各層路基土壓實度變化。

2 計算模型及邊界條件

本次對路堤的有限元計算分析采用的是GeoStudio有限元軟件，通過對路堤填筑過程進行應(yīng)力-滲流耦合模擬，獲得路堤和地基的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，進而研究路堤沉降和壓實度在各種工況下的變化規(guī)律。

依據(jù)地質(zhì)勘測資料，地表存在約12m深的粘性土，之下為巖基，基巖的變形遠(yuǎn)小于地基粘土，其變形可以忽略。因此路基以下的地基深度取12m，表層3m為坡積粘土，之下9 m為殘積粘土。路堤填筑之前地下水位位于地下2m處。地基表面從堤腳向兩側(cè)延伸寬度為35m。按照雙向四車道路基寬度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，不同高度路堤的堤頂寬度一般為26m。堤高8m以內(nèi)的路堤采用一級1∶1.5的坡比；堤高大于8m的在8m處設(shè)置2m寬的平臺，平臺以下采用1∶1.75的坡比。

按照分析方案，分別采用高6m、8 m、12 m、16 m和20 m的路堤建立模型（初始壓實度都采用93%），研究不同路堤高度下完工時和路堤沉降穩(wěn)定后的路堤沉降規(guī)律和各層壓實度變化。分析時每層的填筑厚度為1 m，每3d填筑一層，接著填筑下一層直至路堤頂面。對于16 m和20 m路堤，若采用3 d填筑1 m的施工速度進行模擬，由于施工速度較快，孔隙水壓力來不及消散，且路堤較高，填到頂面完工時的抗滑安全系數(shù)小于1，即路堤會失穩(wěn)，計算所得的變形分布規(guī)律也出現(xiàn)異常，因此最終采用8 d填筑1 m的填筑速度進行模擬。

所建立的計算模型如圖 1所示 （圖中為路堤高16m）。地基底面邊界為x和y雙向約束；不透水邊界。地基左右兩側(cè)為x方向約束，允許豎向自由沉降；地下水位以下設(shè)置為已知水頭邊界條件。地基表面和路堤表面都為自由排水邊界。整個路堤和地基剖分為四邊形或三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸約1 m。

圖1 路堤的計算模型及網(wǎng)格剖分

3 不同高度路堤的沉降變化規(guī)律

計算結(jié)果分析表明，路堤填筑完工時，不同高度的路堤的堤身沉降量分布規(guī)律類似，沉降量最大值都出現(xiàn)在路堤軸線、距堤基約1/3至1/2堤高處。在沉降量最大值周圍，沉降量按橢圓形等值線向外逐漸遞減，如圖2所示，圖中為完工時16 m高路堤沉降量（m）等值線圖。路堤的高度越大，完工時路堤的最大沉降量也越大。

當(dāng)路堤沉降穩(wěn)定時，不同高度的路堤的堤身沉降量的分布規(guī)律與完工時類似，但沉降量更大。沉降量最大值都出現(xiàn)在路堤軸線、距堤基約1/2堤高處。在沉降量最大值周圍，沉降量按橢圓形等值線向外逐漸遞減，如圖3所示，圖中為沉降穩(wěn)定時16m高路堤沉降量等值線圖。路堤的高度越大，沉降穩(wěn)定時路堤的最大沉降量也越大。

通過分析高填方路堤計算過程中的沉降變化，還發(fā)現(xiàn)，隨著路堤填筑的進行，路堤沉降最大值點在橫斷面位置并不固定。當(dāng)路堤高度處于較低（4 m和8 m）位置時，沉降量出現(xiàn)兩個對稱的極值，分別在路堤兩側(cè)距坡面一定距離、距地基表面約1/3填土高度處。當(dāng)路堤高度較高（＞12 m）時，沉降量最大值出現(xiàn)在路堤軸線距地基表面約2/5堤高處。圖4為16 m高路堤在不同填筑高度（4m、12m）時的沉降量（m）等值線圖。由圖可知，完工時，隨著層高的增大，路堤的沉降量逐漸增大。

當(dāng)沉降穩(wěn)定時，路堤的最大沉降量出現(xiàn)在路堤軸線、距地基表面約1/2堤高處。其它高度路堤的沉降量隨路堤填土高度的變化情況與16 m路堤類似，填土高度較低時出現(xiàn)兩個對稱的沉降量極值，填土高度較高時出現(xiàn)一個位于路堤軸線上的沉降量最大值。且沉降量極值的位置隨路堤填土高度的增大及路堤的不斷固結(jié)變形而上移。

圖2 完工時16 m高路堤沉降量（m）等值線圖

圖3 沉降穩(wěn)定時16 m高路堤沉降量（m）等值線圖

圖4 16 m高路堤在不同填筑高度時的沉降量（m）等值線圖

圖5為路堤的最大沉降量隨路堤高度的變化曲線。由圖可知，無論完工時還是沉降穩(wěn)定后路堤的最大沉降量都隨路堤高度的增大而增大。沉降穩(wěn)定時的最大沉降量大于完工時的最大沉降量值。

圖5 路堤的最大沉降量隨路堤高度的變化曲線

4 不同高度路堤的壓實度變化規(guī)律

圖6為不同高度路堤的壓實度隨層高的變化曲線。由圖可知，完工時，不同高度路堤的壓實度隨層高變化的規(guī)律相同，都是隨著層高的增大，壓實度增量逐漸變小，即最底層的壓實度增大最多，最高一層的壓實度增大最少。這主要是由于上層土的自重對下層土的壓實作用及自然沉降作用的時間效應(yīng)所致。由于越底層的路堤土施工早、上覆土壓力大、作用時間長，壓實度增長多；而越高層的路堤土剛填筑完成、上覆土壓力小、作用時間段，其壓實度增長低。

沉降穩(wěn)定時，與完工時壓實度增量隨著層高變化而變化的規(guī)律不同，且不同高度路堤的壓實度隨層高變化的規(guī)律不同，如圖7所示，圖為沉降穩(wěn)定時不同高度路堤的壓實度隨層高的變化曲線。當(dāng)?shù)谈咻^低 （6m至12m）時，壓實度增量隨著層高的增大而增大；當(dāng)?shù)谈咻^高（16m至20m）時，壓實度增量隨著層高的增大先增大而后逐漸變小，在5m高時壓實度達(dá)到最大值。當(dāng)?shù)谈咻^小時，由于地基的變形使堤體發(fā)生水平位移，且由于孔隙水壓力不能及時消散、上部土體對下部土體的最終作用有限，造成下部的土體的壓實度低于上部。當(dāng)?shù)谈咻^高時，較低位置（低于5m）受地基的影響和最終孔隙水壓力影響較大，因此，隨位置的增大，壓實度增量增大；但當(dāng)位置較高（高于5m）時，主要受到上覆土層的自重作用，因此隨位置的升高，填土的壓實度增量逐漸減小。

圖8為整個路堤壓實度增量平均值隨路堤高度的變化曲線。由圖可知，無論是完工時還是沉降穩(wěn)定后，壓實度增量平均值都隨著路堤高度的增大而逐漸增大。說明路堤越高，整個自重越大，最終對路堤的壓實度的影響越大。

圖6 完工時不同高度路堤的壓實度隨層高的變化曲線

圖7 沉降穩(wěn)定時不同高度路堤的壓實度隨層高的變化曲線

圖8 壓實度增量平均值隨路堤高度的變化曲線

5 結(jié)論

通過對不同高度路堤填筑過程進行有限元數(shù)值分析，主要得出以下結(jié)論：

（1）路堤填筑完工時和路堤沉降穩(wěn)定時，不同高度的路堤的堤身沉降量分布規(guī)律類似，路堤的沉降量隨路堤高度的增大而增大。沉降量最大值都出現(xiàn)在路堤軸線、距堤基約1/3至1/2堤高處。在沉降量最大值周圍，沉降量按橢圓形等值線向外逐漸遞減。

（2）在高路堤填筑過程中，隨著路堤填筑的進行，路堤沉降最大值點在橫斷面位置并不固定。當(dāng)路堤高度處于較低（小于8 m）位置時，沉降量出現(xiàn)兩個對稱的極值，隨著路堤的增高，沉降量最大值點向路堤軸向移動。

（3）完工時，不同高度路堤的壓實度增量隨層高的增大而逐漸變小。沉降穩(wěn)定時，不同高度路堤的壓實度增量隨層高的分布規(guī)律不同：高度較低（6m至12m）路堤的壓實度隨高度的增大而增大；高度較高（12m至20m）路堤的壓實度隨高度先增大而后逐漸減小。

（4）無論是完工時還是沉降穩(wěn)定后，不同高度的路堤的壓實度增量平均值都隨著路堤高度的增大而逐漸增大。

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[3]JTG F10-2006,公路路基施工技術(shù)規(guī)范[S].

[4]JTG D30-2015,公路路基設(shè)計規(guī)范[S].