高液限土半填半挖高邊坡路基變形影響因素分析

王 灝，劉 珍，楊果林，張華強，呂 濤

(1.中建五局土木工程有限公司， 湖南 長沙 410004;2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長沙 410075)

近年來隨著山區(qū)高速公路的發(fā)展，半填半挖高邊坡路基在公路建設(shè)中的規(guī)模也越來越大。同時，我國山區(qū)廣泛分布著高液限土，高液限土具有高天然含水率、低滲透性和難于壓實的特點[1-4]，路基的差異沉降能否得到控制直接關(guān)系到道路的使用壽命和行車安全，如何減小高液限土路基的差異沉降是目前山區(qū)道路工程的研究的熱點之一。但是，目前關(guān)于半填半挖高邊坡高液限路基的研究較少，亟需填補相關(guān)研究的空白。

為了改善高液限土的工程性質(zhì)，曾靜等[5]發(fā)現(xiàn)石灰改性高液限土的液限和塑性指數(shù)較低，膨脹性明顯較弱，CBR有較大提高?？勺鳛楦叩燃壒仿坊盍稀２芤屎５萚6]對于發(fā)現(xiàn)在石灰改良高液限黏土作為路基填料的施工中，通過試驗調(diào)整施工工藝，嚴(yán)格控制石灰的摻量，并用EDTA滴定法及時測定壓實土樣的石灰用量，能達到提高路基質(zhì)量的目的，保證路基施工質(zhì)量。故可以看出采用石灰改良的高液限土用于半填半挖高邊坡路基填筑是可行的。高成雷等[7]研究了山區(qū)公路半填半挖路基的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，指出半填半挖路基施工后沉降曲線結(jié)構(gòu)為中心對稱的“s”形，對稱中心兩側(cè)曲線截面為拋物線。劉建磊等[8]指出半填半挖路基的穩(wěn)定性受多種因素的控制，如填挖交界處不良界面的結(jié)構(gòu)類型和巖性條件。通過敏感性分析，發(fā)現(xiàn)填土高度、地下水和填土的粘結(jié)力是影響路基穩(wěn)定性的較敏感因素。故半填半挖高邊坡路基差異沉降較大，變形與穩(wěn)定性不易控制。

高液限土半填半挖高邊坡路基同時存在高液限土的不良性質(zhì)與半填半挖高邊坡路基的變形特性，需要同時關(guān)注路基的不均勻變形與路基邊坡穩(wěn)定性，其與普通高填方或深挖方路基在土壓力、差異變形分布規(guī)律、失穩(wěn)形態(tài)等方面有較大的差異[9-11]。但這種路基形式在依托工程的高速公路上分布廣泛，為了保證工程項目的順利完工，及后期高速公路運營的穩(wěn)定，十分有必要對此種特殊路基的變形進行研究。

近年來數(shù)值模擬在路基沉降分析中的應(yīng)用越來越廣泛，蔡文霄等[12]采用FLAC3D有限差分軟件對蘭永一級高速公路某高填方路基建立了二維模型，發(fā)現(xiàn)填方高度和填方材料是影響路基沉降的主要因素。章海明[13]采用ABAQUS軟件分析了某高速公路粉噴樁加固軟土路基的效果。故本文借助ABAQUS有限元軟件對某高速公路典型高液限土半填半挖高邊坡路基的變形特性進行研究，分析不同條件下路基的沉降變形，為項目施工運營和將來類似項目提供有意義的參考。

1 模型建立

選取樁號K28+440半填半挖高邊坡路基邊坡作為研究對象，填方與挖方邊坡均為3級，采用雙向四車道，路基寬度為26 m，填方與挖方均占路基寬度的一半。填方高度24 m，分為3級，每級高8 m，挖方高度30 m，同樣分為3級，每級高10 m，根據(jù)地勘資料模型影響范圍內(nèi)巖土層分為4種，砂質(zhì)粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖、強風(fēng)化花崗巖(半巖半土狀)、中風(fēng)化花崗巖，前三種土層厚度分別為10 m、9 m、20 m，以下均為中風(fēng)化花崗巖。對現(xiàn)場情況進行簡化建立模型見圖1，模型坡頂與坡腳均取50.0 m，以消除邊界影響，模型總高度為143.0 m，寬度為193.6 m，縱向為30.0 m。模型左右前后方向約束法向變形，底面約束法向與切向變形，選擇CPE4(四節(jié)點平面應(yīng)變單元)作為單元類型，采用非對稱求解器。

由于路基施工完成后會對路基表面進行整平，再進行下一步的施工，運營階段路面結(jié)構(gòu)不僅要承受車輛荷載，還要承擔(dān)路基不均勻沉降產(chǎn)生的影響，故運營階段路基變形的研究更有實際價值。

圖1 樁號K28+440路基邊坡橫斷面圖及模型尺寸

考慮到半填半挖高邊坡路基問題的影響因素比較復(fù)雜，為簡化計算，在進行數(shù)值模擬計算時作如下假定：

(1) 路基和地基材料為均質(zhì)、連續(xù)、各向同性；(2) 路基填土和砂質(zhì)粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化花崗巖、強風(fēng)化花崗巖(半巖半土狀)采用Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，中風(fēng)化花崗巖采用線彈性模型；(3) 假設(shè)填方與挖方間不會發(fā)生相對滑動和脫離；(4) 沒有施加地下水位，不考慮地下水的滲流固結(jié)；(5) 車輛荷載等效成大小為10.5 kPa的均布荷載處理，路面荷載等效為17.5 kPa，故路基上承受的荷載大小為28.0 kPa[14]。

2 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)地勘料地基各巖層厚度與物理力學(xué)參數(shù)見表1，此路基填筑采用2%石灰改良高液限土填料，填方控制含水率為20%。

表1 原巖層物理力學(xué)基本參數(shù)

3 計算結(jié)果分析

路基變形對路面結(jié)構(gòu)影響最大的指標(biāo)為差異沉降和變坡率，故本文在分析路基變形時重點分析差異沉降與變坡率的變化。差異沉降為路面沉降的最大最小沉降差值，變坡率在本文中取沉降最大點到路基面兩端的平均變坡率最大值。

3.1 路面荷載的影響

在高速公路運營過程中路面荷載具有隨機性，大小并非保持不變，本文根據(jù)規(guī)范把路面荷載簡化為均布荷載，故可以研究不同荷載大小下路基面變形的變化來探究路面荷載對路基變形的影響，分析作用在路基面上荷載大小為20 kPa、28 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa時路基面變形的變化，繪出不同工況下變形圖(見圖2)，得出差異沉降與變坡率隨荷載大小的變化曲線(見圖3)。

圖2 荷載對路基面豎向變形的影響

由圖2可知，不同荷載作用下路基頂面豎向變形分布規(guī)律性具有相似性，均呈反拋物線型，隨著荷載增大路基面豎向變形增大，且曲線彎曲程度不斷變大，不同工況下豎向變形分布曲線差異路基兩端小，中間大，且填方段的豎向變形大于挖方段，但最大變形位置不變，均位于距路堤邊緣11.7 m處。這說明當(dāng)路基土的性質(zhì)不變時，在豎向荷載作用下荷載的擴散路徑也沒有發(fā)生變化，所以變形曲線整體線性保持不變。

圖3 荷載對差異沉降與變坡率的影響

由圖3可知，路基面最大豎向變形與最小豎向變形均隨荷載的增大線性增大。最大沉降、最小沉降、差異沉降比例系數(shù)分別為0.002 6 m/kPa、0.001 3 m/kPa、0.001 3 m/kPa。這表明在最大沉降點處有比較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致最大沉降的增大速率明顯大于最小沉降和差異沉降。沉降最大點兩側(cè)的平均變坡率也與荷載呈正相關(guān)，右側(cè)與左側(cè)比例系數(shù)分別為9×10-5/kPa、7×10-5/kPa，沉降最大點右側(cè)平均變坡率大于左側(cè)。這表明挖方邊坡受路面荷載影響發(fā)生的變形要小于填方邊坡。

3.2 高液限土填料含水率的影響

高液限土對含水率有很高的敏感性，不同含水率下各項物理力學(xué)參數(shù)有很大的變化。在填方的填筑中含水率控制很難非常精確，而且在長時間的運營過程中經(jīng)歷雨水入滲、地下水上升下降，含水率會發(fā)生變化。故需要分析路基變形隨含水率的變化規(guī)律，在高填方中93區(qū)是路基的主要區(qū)域，故在本文中計算93區(qū)含水率為15%、18%、20%、22%時路基的變形的變化，不同含水率下填方土參數(shù)可以根據(jù)前文公式可計算出如表2所示，根據(jù)計算結(jié)果繪出不同工況下變形圖(見圖4)，得出差異沉降與變坡率隨填方含水率的變化曲線(見圖5)。

表2 填方土物理力學(xué)基本參數(shù)

由圖4可知，不同填方含水率下路基頂面豎向變形分布規(guī)律性具有相似性，形狀大致相同，呈反拋物線型，填方端的豎向變形大于挖方端。不同工況分布曲線僅在填方區(qū)存在差異，在挖方區(qū)變化不大。填方填料含水率越大，填方區(qū)變形越大，同時不同工況下曲線填方區(qū)差異隨距路堤邊緣距離先增大后下降，但總的來說差異不大。此外不同工況下最大沉降點存在差異，隨著含水率的增大，沉降最大點距路堤邊緣距離分別為12.35 m、11.70 m、11.70 m、11.05 m。

圖4 填方含水率對路基面豎向變形的影響

由圖5可知，半填半挖高邊坡路基差異沉降隨填方含水率的增大呈非線性增大，且變化速率不斷下降，這是因為在研究范圍內(nèi)填方土的物理力學(xué)參數(shù)隨著含水率的增大變化幅度減小。考慮到工程實用性和土的性質(zhì)具有離散性，變化趨勢宜采用二次函數(shù)來擬合，擬合公式為y=-8×10-6x2+0.0004x+0.0289，R2=0.9993，擬合效果較好。

由于不同工況下差異變形變化不大，故變坡率的變化也不是很明顯，變坡率極差僅為0.02%，沉降最大點右側(cè)平均變坡率隨著填方填料含水率的增大而不斷下降，而且沉降最大點左右側(cè)平均變坡率變化趨勢相反，變形曲線在對稱軸為y=0.215%上下大致呈鏡像關(guān)系，沉降最大點右側(cè)平均變坡率大于左側(cè)。這說明填方填料含水率的變化引起了應(yīng)力在土體中的重分布，并對挖方邊坡附近的路基沉降也產(chǎn)生了影響，但是填方路堤附近的路基沉降變化顯著增大。

圖5 填方含水率對差異沉降與變坡率的影響

3.3 不良地基層壓縮模量的影響

由于上文中發(fā)現(xiàn)填方含水率的變化，即填方物理力學(xué)參數(shù)對路基變形影響不大，可以聯(lián)想到影響路基面變形的應(yīng)該是地基，而地基的各項參數(shù)中對變形影響最大的就是壓縮模量，為探究地基壓縮模量對路基面變形的影響，選取砂質(zhì)粉質(zhì)黏土地基層壓縮模量作為變化量，分析其為5.0 MPa、7.5 MPa、10.0 MPa、12.5 MPa、15.0 MPa時路基面變形的變化，繪出不同工況下變形圖(見圖6)，得出差異沉降與變坡率隨砂質(zhì)粉質(zhì)黏土地基層壓縮模量的變化曲線(見圖7)。

由圖6可知，不同地基壓縮模量下，路基頂面豎向變形分布規(guī)律性具有相似性，形狀大致相同，隨著壓縮模量的增大，曲線之間差距不斷減小，不同地基壓縮模量下路基面左側(cè)豎向變形差異較右側(cè)更大，且壓縮模量越大，沉降分布曲線兩端差異越小。這是由于隨著砂質(zhì)粉質(zhì)黏土地基層壓縮模量的增大，地基土與路基土之間的模量越接近，故由路面不同區(qū)域模量差異造成的差異沉降也越小。此外不同工況下最大沉降點存在差異，隨著不良地基壓縮模量的增大，沉降最大點向右移動，沉降最大點距路堤邊緣距離分別為10.40 m、11.70 m、11.70 m、11.70 m、12.35 m。

圖6 砂質(zhì)粉質(zhì)黏土地基層壓縮模量對路基面豎向變形的影響

由圖7可知，半填半挖高邊坡路基最大沉降與差異沉降隨砂質(zhì)粉質(zhì)黏土地基層壓縮模量的增大呈非線性減小，且變化速率不斷下降，而最小沉降變化較小。差異沉降變化趨勢采用冪函數(shù)來擬合，擬合公式為y=0.1697x-0.776(x≥5)，R2=0.9896，相關(guān)系數(shù)達到98%以上，擬合效果較好，所以半填半挖高邊坡路基差異沉降隨不良地基模量的變化用冪函數(shù)來進行表達。

圖7 砂質(zhì)粉質(zhì)黏土地基層壓縮模量對差異沉降與變坡率的影響

由于沉降最大點的移動，變坡率的變化規(guī)律與差異沉降不同，隨著不良地基壓縮模量的增大，路基沉降最大點左右兩側(cè)的平均變坡率均不斷下降，但變化趨勢不同，右側(cè)變坡率下降速率不斷減小，而左側(cè)變坡率下降速率先減小后增大，右側(cè)變坡率始終大于左側(cè)變坡率。這表明當(dāng)不良地基的壓縮模量提高時土體內(nèi)部的應(yīng)力擴散路徑發(fā)生了巨大的變化，靠近填方的路基沉降顯著減小，而這種變化在不良地基的壓縮模量提高到10.0 MPa時已經(jīng)趨于穩(wěn)定。

3.4 不良地基層厚度的影響

隨著地形的變化，不同樁號各天然巖層厚度會發(fā)生變化，而各巖層中對路基變形影響最大的是第一層的砂質(zhì)粉質(zhì)黏土不良地基層的厚度。此外清淤換填是處理不良地基的一種方法，其做法就是改變不良地基的厚度。故有必要研究砂質(zhì)粉質(zhì)黏土地基層厚度對路基變形的影響?，F(xiàn)選取厚度為10.0 m、7.5 m、5.0 m、2.5 m為不同工況進行對比，分析砂質(zhì)粉質(zhì)黏土不良地基層厚度對路基面豎向變形的影響，繪出不同工況下變形圖，得出差異沉降與變坡率隨砂質(zhì)粉質(zhì)黏土地基層厚度的變化曲線如圖8所示。

由圖8可知，不同地基厚度下路基頂面豎向變形分布規(guī)律性具有相似性，形狀大致相同，呈反拋物線型，不同工況下豎向變形分布曲線差異路基兩端小，中間大填方端的豎向變形大于挖方端，隨著不良地基層厚度的減小路基面豎向變形減小，且曲線彎曲程度不斷變小，但最大變形位置不變，均位于距路堤邊緣11.7 m處。這說明改變不良地基的厚度沒有對應(yīng)力的擴散路徑產(chǎn)生影響。

圖8 砂質(zhì)粉質(zhì)黏土地基層厚度對路基面豎向變形的影響

由圖9可知，隨不良地基厚度的增大，半填半挖高邊坡路基最大沉降大致呈線性增大，而最小沉降與差異沉降呈非線性增大，差異沉降變化趨勢采用二次函數(shù)來擬合，擬合公式為y=1×10-5x2+0.0011x+0.0223，R2=0.9979，相關(guān)系數(shù)達到99%以上，接近1，擬合效果很好，可見半填半挖高邊坡路基差異沉降隨地基模量的變化可以用二次函數(shù)來進行表達。

由于路基面左右端沉降變化的差異，變坡率的變化規(guī)律與差異沉降不同，隨著不良地基層厚度的減小，路基沉降最大點左右兩側(cè)的平均變坡率變化趨勢不同，右側(cè)變坡率不斷增大，而左側(cè)變坡率先增大后稍有下降，右側(cè)變坡率始終大于左側(cè)變坡率。最大變坡率可以用二次函數(shù)來擬合，y=1×10-4x2+0.0076x+0.1561，R2=0.9979，擬合效果較好。

圖9 砂質(zhì)粉質(zhì)黏土地基層厚度對差異沉降與變坡率的影響

4 結(jié) 論

本文借助ABAQUS有限元軟件對某高速公路典型高液限土半填半挖高邊坡路基的變形特性進行研究，分析了不同荷載大小、不同高液限土填方含水率、不同不良地基壓縮模量、不同不良地基厚度對路基差異沉降與變坡率的影響。得到如下結(jié)論：

(1) 豎向荷載的大小只改變高液限土半填半挖高邊坡路基沉降的絕對值，并沒有改變其應(yīng)力擴散的路徑，而最大沉降點兩側(cè)變坡率的差異反映了填方邊坡和挖方邊坡的變形對荷載作用的敏感性。

(2) 填方填料含水率的增加使得應(yīng)力在土體內(nèi)發(fā)生了重分布，并且填方邊坡附近的路基沉降所受影響較挖方邊坡附近的路基沉降顯著。

(3) 不良地基層壓縮模量的增大引起土體的應(yīng)力擴散路徑的劇烈變化，但在壓縮模量增加到10 MPa時變化已趨于穩(wěn)定，最大沉降點向挖方邊坡一側(cè)靠近，最大沉降點兩側(cè)的邊坡率逐漸趨近。

(4) 高液限土半填半挖高邊坡路基差異沉降與最大變坡率隨不良地基厚度的增大呈非線性增大，其變化趨勢可以用二次函數(shù)進行較好的擬合。

(5) 高液限土半填半挖高邊坡路基的修筑過程中要采取措施控制填方填料的含水率和對不良地基層進行加固處理，保證路基沉降處于規(guī)定的范圍內(nèi)。