不同含水率對路堤填土壓實(shí)特性的影響分析

■王祖鑫

(1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所，福州 350004；2.福建省公路、水運(yùn)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350004)

1 引言

福建地處我國東南沿海，屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，西北有山脈阻擋寒風(fēng)，東南又有海風(fēng)調(diào)節(jié)，溫暖濕潤為福建氣候的顯著特色，年平均降水量超過1500mm。我國東南沿海濕熱地區(qū)及西南潮濕地區(qū)的平原或山區(qū)丘陵地帶廣泛分布有高含水率土。由于土體的含水率超過最佳含水率甚多，這些土水穩(wěn)定性差，極難涼曬至標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)所得的最佳含水率，很難達(dá)到現(xiàn)行國家、行業(yè)施工規(guī)范要求的壓實(shí)度。傳統(tǒng)的處理方法一是棄方，二是添加或水泥、或石灰、或土壤外加劑等加以改進(jìn)利用。兩種方法處理的費(fèi)用都很大，且不利于環(huán)保，對生態(tài)破壞嚴(yán)重。所以直接采用過濕土作為路基填料，采用正確的填筑工藝和技術(shù)措施進(jìn)行路基施工，這些都有待進(jìn)一步的研究。

針對潮濕多雨地區(qū)填土特性，在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合寧德京臺高速公路工程，采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬分析。模型中考慮非飽和路堤填土的應(yīng)力和滲流耦合，通過模擬路堤填筑施工過程以及竣工后隨時(shí)間不斷固結(jié)過程，可以獲得路堤的沉降量、水平位移以及體積應(yīng)變，由體積應(yīng)變可求得體積變化量，進(jìn)而求得固結(jié)后的密度，最終可由密度求得壓實(shí)度，進(jìn)而分析壓實(shí)度隨各種因素的變化規(guī)律。以下針對潮濕多雨地區(qū)在不同含水率條件下路堤土壓實(shí)特性進(jìn)行分析。

2 計(jì)算模型和參數(shù)

本次對路堤的有限元計(jì)算分析采用的是GeoStudio有限元軟件中的SIGMA/W和SLOPE/W模塊，通過對路堤填筑過程進(jìn)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(jìn)而研究壓實(shí)度在各種工況下的變化規(guī)律。

依據(jù)典型斷面地質(zhì)勘測剖面圖，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9m為殘積粘土。地基表面從堤腳向兩側(cè)延伸寬度為35m，堤頂寬度都為26m，堤高為8m，坡比為 1∶1.5。

本次分析需要考慮施工過程中路堤的變形，因此需要采用應(yīng)力-滲流耦合分析，這就需要對計(jì)算模型的邊界同時(shí)設(shè)置應(yīng)力變形約束和滲流邊界條件。對地基底面施加x和y方向的雙向約束，在地基的左右兩側(cè)約束x方向位移，允許豎向自由沉降，對于滲流邊界，地基底面為不透水邊界，地基的左右兩側(cè)依據(jù)地下水位深度設(shè)置水頭邊界，地面和填筑體表面為自由排水邊界。初始地下水位設(shè)置在地面以下2 m深度處。有限元模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

路堤填土的計(jì)算參數(shù)都由室內(nèi)試驗(yàn)獲取，地基的計(jì)算參數(shù)參考地勘報(bào)告中鉆孔取樣的數(shù)據(jù)獲取。滲流分析時(shí)采用飽與非飽和滲流方程，非飽和分析需用的土-水特征曲線依據(jù)填土的級配曲線估算，非飽和滲透函數(shù)由土-水特征曲線估算。不同壓實(shí)度、不同含水率的路堤填土及地基土坡積和殘積粘土的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

3 有限元計(jì)算分析

圖1 有限元計(jì)算模型

表1 路堤填土和地基土的計(jì)算參數(shù)

采用兩種方法來考慮長期降雨的影響，一種是考慮降雨改變填土的含水率，采用不同含水率的填土(初始壓實(shí)度為90%)來模擬不同降雨強(qiáng)度或時(shí)間對填土性質(zhì)和壓實(shí)度的影響。采用不同含水率的填土進(jìn)行分析時(shí)，考慮到若由于降雨而使填土的含水率改變，則很難實(shí)現(xiàn)連續(xù)施工，因此除連續(xù)施工填筑外，還考慮了填筑3d停歇5d的非連續(xù)施工情況。二是采用初始壓實(shí)度為93%的填土，每層填筑時(shí)均遇3d暴雨，之后停歇2d后繼續(xù)填筑下一層，研究長期降雨對路堤壓實(shí)度和穩(wěn)定性的影響。

兩種情況都采用高8m的路堤進(jìn)行計(jì)算，所建立的分析模型與圖3(b)相同。該地區(qū)年降水量為1650mm。5～6月為梅雨季，降水量在500～600mm之間，占全年總水量的31%～35%，為境內(nèi)主汛期；7～9月為臺風(fēng)雷雨季，出現(xiàn)暴雨和大暴雨，平均雨日35～42d，降水量360～680mm，占全年降總水量的22%～30%。在福建地區(qū)，通常取年最大24h平均雨深為100mm到150mm?？紤]到連續(xù)降雨3d，計(jì)算時(shí)取平均降雨強(qiáng)度0.05m/d，每層填筑完成(3d)后的降雨期間(3d)在地基表面和填筑體表面都設(shè)置入滲邊界條件。其它邊界條件與前面的計(jì)算相同。

3.1 不同含水率填土路堤的變形規(guī)律

計(jì)算表明：在連續(xù)施工條件下，竣工時(shí)，不同含水率填土路堤沉降量最大值都出現(xiàn)在路堤軸線、距堤基約1/4至1/3堤高處。在連續(xù)施工條件下，沉降穩(wěn)定時(shí)，不同含水率的路堤的堤身沉降量最大值都出現(xiàn)在路堤軸線、距堤基約1/2堤高處。填土路堤連續(xù)施工竣工時(shí)和沉降穩(wěn)定后的沉降量(m)等值線圖如圖2。隨著含水率的增大，沉降穩(wěn)定時(shí)路堤的沉降量增大。這是因?yàn)楹试酱螅返烫钔猎杰?，因此最終的沉降量會(huì)越大。

計(jì)算表明，竣工時(shí)的固結(jié)度隨施工間歇時(shí)間的增大而增大。竣工時(shí)和沉降穩(wěn)定后，不同含水率非連續(xù)施工的路堤堤身沉降量分布規(guī)律與連續(xù)施工時(shí)相同，但沉降穩(wěn)定時(shí)的沉降量更小，填土路堤非連續(xù)施工竣工時(shí)和沉降穩(wěn)定后的沉降量(m)等值線圖如圖3。原因是非連續(xù)施工時(shí)施工間歇時(shí)間增大，填土在施工期的固結(jié)程度增大，類似預(yù)壓效果，因此最終沉降最減小。

圖2 不同含水率施工間連續(xù)施工沉降量(m)等值線圖

圖3 施工間非連續(xù)施工沉降量(m)等值線圖

圖4 路堤的最大沉降量隨填土含水率的變化曲線

圖4為路堤的最大沉降量隨含水率的變化曲線。由圖可知，無論是連續(xù)施工和間歇施工，竣工時(shí)和沉降穩(wěn)定后路堤的最大沉降量都隨含水率的增大而增大。說明若遇長期降雨致使填土含水率增大，則竣工和沉降穩(wěn)定時(shí)填土的沉降量都將增大。不同含水率的路堤穩(wěn)定時(shí)的最大沉降量均大于竣工時(shí)的沉降量。對比連續(xù)施工和間歇施工的結(jié)果可知，連續(xù)施工竣工時(shí)的最大沉降量較小，但沉降穩(wěn)定后的最大沉降量較大。這是由于施工間歇時(shí)間越長，施工期填土的固結(jié)越充分，因而竣工時(shí)最大沉降量越大，沉降穩(wěn)定時(shí)的沉降量越小。

3.2 考慮降雨入滲時(shí)填土路堤的變形規(guī)律

計(jì)算可知，隨著填土高度的增大，路堤的沉降量不斷增大。不同施工階段路堤的沉降量分布規(guī)律不同，當(dāng)填土高度較低(＜4m)時(shí)，堤身沉降量出現(xiàn)兩個(gè)對稱的最大值，位于路堤的兩側(cè)?？⒐ず统两捣€(wěn)定時(shí)，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，如圖5。隨著填土高度的增大，由于降雨入滲，路堤中的浸潤線逐漸升高，竣工時(shí)浸潤線位置最高，之后逐漸降低，沉降穩(wěn)定時(shí)浸潤線基本恢復(fù)到初始地下水位處。

圖6為有、無降雨入滲情況下路堤的沉降量沿高度的分布曲線?？⒐r(shí)和沉降穩(wěn)定后路堤的沉降量沿高度的分布規(guī)律類似，都是先增大再減小?？⒐r(shí)沉降量最大值出現(xiàn)在3m高處，沉降穩(wěn)定時(shí)沉降量最大值出現(xiàn)在4m高處。與無降雨時(shí)的沉降量相比，除地基表面和竣工時(shí)路堤1m高以下，遇長期降雨情況下竣工時(shí)和沉降穩(wěn)定時(shí)的沉降量都大于無降雨的情況。這是由于降雨入滲會(huì)對路堤填土施加向下的滲透力，增大路堤的沉降量。

圖5 降雨入滲情況下不同階段路堤的沉降量(m)等值線圖

圖6 路堤的沉降量沿高度的分布曲線

4 壓實(shí)度隨填土含水率的變化規(guī)律

圖7繪出了不同含水率路堤連續(xù)施工情況下壓實(shí)度隨層高的變化曲線。由圖可知，竣工時(shí)和沉降穩(wěn)定時(shí)壓實(shí)度增量隨著層高變化而變化的規(guī)律不同?？⒐r(shí)，壓實(shí)度增量都隨層高的增大而減??；除路堤最頂層的壓實(shí)度隨含水率的增大而略微減小外，其它高度處的壓實(shí)度增量都隨含水率的增大而增大，且位置越低增大得越明顯。這是因?yàn)楹试酱?，填土越軟，沉降量越大，且底層受上部土層的壓?shí)越明顯。

當(dāng)沉降穩(wěn)定時(shí)，壓實(shí)度增量都隨層高的增大而增大；不同高度處路堤的壓實(shí)度增量都隨填土含水率的增大而增大。這是因?yàn)楹试礁撸馏w越軟，因此路堤最終的沉降量越大，壓實(shí)度增量也就越大。

圖7 不同含水率路堤連續(xù)施工的壓實(shí)度隨層高的變化曲線

圖8為有、無降雨情況下路堤的壓實(shí)度增量沿路堤高度的分布曲線。由圖可知，竣工時(shí)和沉降穩(wěn)定后路堤的壓實(shí)度增量沿高度的分布規(guī)律不同?？⒐r(shí)壓實(shí)度增量隨路堤高度的增大而減小，沉降穩(wěn)定時(shí)壓實(shí)度增量隨高度的增大先增大后減小出現(xiàn)在3m高處，沉降穩(wěn)定時(shí)沉降量最大值出現(xiàn)在4m高處。與無降雨時(shí)的沉降量相?？⒐r(shí)有、無降雨對壓實(shí)度的影響很小，在路堤上部遇降雨的情況的壓實(shí)度增量稍小，這是由于降雨入滲增大了孔隙水壓力，不利于填土的固結(jié)。沉降穩(wěn)定時(shí)，遇降雨的情況的壓實(shí)度增量大于無降雨的情況。這是因?yàn)榻涤耆霛B的滲透力給填土施加了附加的應(yīng)力，增大了填土的固結(jié)應(yīng)力，因而遇降雨時(shí)路堤最終的壓實(shí)度較大。

圖8 路堤的壓實(shí)度增量沿高度的分布曲線

5 結(jié)論

(1)對于不同含水率填土路堤，其沉降量在竣工時(shí)和沉降穩(wěn)定時(shí)都隨填土含水率的增大而增大。竣工和沉降穩(wěn)定時(shí)壓實(shí)度增量也都隨填土含水率的增大而增大。

(2)當(dāng)遇長期降雨時(shí)，竣工和沉降穩(wěn)定時(shí)路堤的沉降量都比無降雨時(shí)大；竣工時(shí)壓實(shí)度增量幾乎不受降雨入滲的影響，但長期降雨情況下路堤沉降穩(wěn)定時(shí)壓實(shí)度增量比無降雨時(shí)大。