高液限黏土改擴(kuò)建路基安全性能數(shù)值模擬分析*

李友云， 李懿， 張軍， 廖浩成， 黃博

(1.長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114；2.湖南省蓮株高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 株洲 412000)

高液限黏土在中國分布廣泛，富含高液限黏土的省、市達(dá)20多個，隨著高速公路的迅猛發(fā)展，對高液限黏土填筑性能的研究變得十分重要。對于高液限黏土路基填筑問題，學(xué)者們主要通過室內(nèi)外試驗分析其變化規(guī)律。何穎通過實地取樣試驗，得出壓實度及CBR(承載比)值是評價高液限黏土路基施工質(zhì)量的重要指標(biāo)，并根據(jù)現(xiàn)場實際沉降模擬推測將來路基沉降情況，預(yù)測其沉降變化規(guī)律。段凱提出了高液限黏土路基穩(wěn)定性的多種分析法及沉降計算方法。曹為通過有限元軟件追蹤測試高液限土的翻曬過程，模擬了海南氣候條件下高液限土含水率隨時間的變化。羅婉分析了高液限紅黏土濕化對其強(qiáng)度的影響及剪切變形規(guī)律，結(jié)合雙曲線模型推出了濕化變形公式。近年來，高液限黏土的改良利用及填筑控制標(biāo)準(zhǔn)被運(yùn)用于工程中。戴良軍對不同摻砂量高液限填料進(jìn)行試驗，得出其合理施工含水率介于天然含水率與最佳含水率之間。王成斌提出利用高液限黏土作為路基填料的前提是對其進(jìn)行改性處理，其中最經(jīng)濟(jì)有效的方法是摻石灰。此外，一些學(xué)者還提出了多種高液限黏土的理化改良方法，其中物理方法有摻砂性土、換填土、包芯及土工合成材料處治，化學(xué)方法有摻粉煤灰、生石灰及水泥。國外一些專家提出CBR值和填筑壓實度是高速公路填筑質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)，CBR值越大，基層材料承載能力越大；壓實度越大，土體間越密實。

目前對高液限黏土的研究往往只關(guān)注其本身的路用性能及用作一般路基填料的方法，少有對高液限黏土用于路基改擴(kuò)建工程的研究。該文分別建立一般地基和軟土地基上改擴(kuò)建模型，對不同地基上改擴(kuò)建路基進(jìn)行模擬，分析其沉降狀態(tài)及安全系數(shù)，研究高液限黏土路基改擴(kuò)建工程的沉降變化規(guī)律，為其安全穩(wěn)定性控制提供依據(jù)。

1 改擴(kuò)建路基模型建立

1.1 一般地基上路基改擴(kuò)建模型

路基拓寬采用雙側(cè)拓寬，兩側(cè)各拓寬7.5 m，由原來的四車道改成六車道，路基高度為4 m。地基分2層，第一層為地下10 m深的粉質(zhì)黏土層，第二層為地下25 m深的黏土層。新路基分3層，第一層93區(qū)為2.5 m高液限黏土，第二層94區(qū)為0.7 m高液限黏土，第三層96區(qū)為0.8 m低液限黏土(見圖1)。

圖1 一般地基上路基改擴(kuò)建模型(單位：m)

1.2 軟土地基上路基改擴(kuò)建模型

路基拓寬采用雙側(cè)拓寬，兩側(cè)各拓寬7.5 m，由原來的四車道改成六車道，路基高度為9 m。地基分2層，第一層為地下11.5 m深的軟弱土，第二層為地下8 m深的粉質(zhì)黏土。新路基分3層，93區(qū)、94區(qū)為低液限黏土，96區(qū)為高液限黏土+40%碎石。軟土地基上設(shè)置圓管涵，圓管涵外徑1.5 m，壁厚0.1 m，涵頂填土高度8 m。軟土經(jīng)過樁處理，樁體直徑0.5 m，長度11.5 m，間距1.0 m(見圖2)。

圖2 軟土地基上路基改擴(kuò)建模型(單位：m)

2 高液限黏土土工試驗參數(shù)獲取

2.1 液塑限試驗

對高液限黏土進(jìn)行兩次液塑限平行試驗，取算術(shù)平均值作為試驗結(jié)果。計算得液限為53.9%，塑限為24.5%，塑性指數(shù)為29.4。

2.2 擊實試驗

在室內(nèi)對高液限黏土進(jìn)行擊實試驗，試驗結(jié)果見表1，擊實曲線見圖3。得土樣的最佳含水率為19.4%，最大干密度為1.74 g/cm。

表1 高液限黏土試件擊實試驗結(jié)果

圖3 高液限黏土擊實曲線

3 路基改擴(kuò)建數(shù)值模擬分析

3.1 路基分層填筑沉降對比分析

在高液限黏土地基上進(jìn)行改擴(kuò)建路基填筑時，每層填土?xí)Φ鼗a(chǎn)生壓力，地基土體會產(chǎn)生排水固結(jié)，孔隙水壓力減小，從而使地基抗剪強(qiáng)度得到提高。為防止地基在填筑過程中發(fā)生破壞，將填土進(jìn)行分層分期填筑，待地基固結(jié)穩(wěn)定達(dá)到一定程度后再施加下一級荷載，直到填筑到設(shè)計高度。

為描述地基在填筑過程中的沉降變化，通過GeoStudio軟件對改擴(kuò)建實際情況進(jìn)行模擬。路基填高為4 m，每層填土高度為40 cm，填土完成歷時50 d，然后預(yù)壓30 d。兩種地基沉降曲線見圖4、圖5，每層填土后地基沉降見表2、表3。

圖4 填土完成后一般地基沉降曲線

圖5 填土完成后軟土地基沉降曲線

表2 一般地基每層填土后地基沉降

表3 軟土地基每層填土后地基沉降

由圖4、圖5和表2、表3可知：每層40 cm填土填完后，從老路堤中心到新路堤形心處(0～21 m)地基沉降越來越大，形心處沉降最大。在填筑過程中，新路基會對老路堤邊坡產(chǎn)生附加荷載一起作用在地基上，導(dǎo)致老路基以下地基到形心處沉降逐漸增大。老路基區(qū)域以下地基土已固結(jié)穩(wěn)定，沉降很小。而新路基以下地基還是新地基土，沒有固結(jié)沉降，在路基土不斷填筑過程中，新路形心處受壓最大，其沉降也最大。從新路形心處到新路堤坡腳處(21～27 m)沉降慢慢減小，直到新路堤坡腳沉降為零。一般地基的平均沉降為4.1 cm/層，軟土地基的平均沉降為5.2 cm/層。

3.2 不同路基高度下沉降及安全系數(shù)分析

分別取路基高度4、6、8 m，采用GeoStudio軟件進(jìn)行模擬，一般地基和軟土地基上高液限黏土改擴(kuò)建路基施工沉降曲線分別見圖6、圖7，填筑完成時安全系數(shù)分別見圖8、圖9。

由圖6、圖7可知：路堤高度為4 m時，一般地基的最大沉降為41 cm，沉降速率為0.82 cm/d；軟土地基的最大沉降為52 cm，沉降速率為1.04 cm/d。路堤高度6 m時，一般地基的最大沉降為45 cm，沉降速率為0.9 cm/d；軟土地基的最大沉降為54 cm，沉降速率為1.08 cm/d。路堤填土填到8 m時，一般地基的最大沉降為47 cm，沉降速率為0.94 cm/d；軟土地基的最大沉降為56 cm，沉降速率為1.12 cm/d。

圖6 一般地基上路基改擴(kuò)建施工沉降曲線

圖7 軟土地基上路基改擴(kuò)建施工沉降曲線

圖8 一般地基上路基填筑完成時安全系數(shù)

圖9 軟土地基上路基填筑完成時安全系數(shù)

由圖8、圖9可知：填高為4 m時，一般地基的安全系數(shù)為2.519，軟土地基的安全系數(shù)為2.466；填高為6 m時，一般地基的安全系數(shù)為1.810，軟土地基的安全系數(shù)為1.761；填高為8 m時，一般地基的安全系數(shù)為1.592，軟土地基的安全系數(shù)為1.573。軟土地基上路基邊坡的安全系數(shù)比一般地基的低。根據(jù)《邊坡處理設(shè)計規(guī)范》，安全系數(shù)越高，邊坡的穩(wěn)定性越好。

對路基填土高度分別為4、6、8 m的模型進(jìn)行分析比較(見表4)，軟土地基最大沉降比一般地基大8 cm左右。一般地基最大沉降的位置隨填土高度增加，從距離路中心22 m→23 m→25 m；軟土地基最大沉降的位置隨填土高度增加，從距離路中心21 m→24 m→27 m。說明地基最大沉降始終發(fā)生在新路堤形心以下位置。

表4 不同填土高度路基填筑數(shù)值模擬結(jié)果對比

地表沉降表明，路堤高度增加，軟土地基地表老路中心隆起高度略有增加，但變化不大，且隆起范圍隨路堤高度增加向外側(cè)略有推移。對于新路堤，其下面軟基土體向外側(cè)的推擠使路堤填土向下移動進(jìn)行填充，使新路堤表面出現(xiàn)不均勻沉降，且不均勻沉降隨路堤高度增加而增加。填土高度越高，兩種地基下路基的安全系數(shù)越小，且軟土地基上邊坡的安全系數(shù)比一般地基的小。雖然其安全系數(shù)大于1，是安全的，但還是要控制好路堤填土高度，必要時設(shè)置二級邊坡。

4 結(jié)論

通過兩種路基模型對比，結(jié)合液塑性試驗及室內(nèi)擊實試驗，利用GeoStudio軟件對高液限黏土改擴(kuò)建路基進(jìn)行數(shù)值模擬，針對路基填筑施工期和施工完成兩種工況，從沉降和安全系數(shù)方面分析高液限黏土路基的強(qiáng)度及穩(wěn)定性。主要結(jié)論如下：

(1) 在路基填筑施工期，兩種路基模型都是從老路堤中心到新路堤形心處沉降越來越大，到形心處沉降最大，再從形心處到新路堤坡腳處沉降慢慢減小，直到新路堤坡腳沉降為零。高液限黏土路基的平均沉降比一般路基的大。

(2) 路基填筑施工完成后，路堤高度增加，軟土地基地表老路中心隆起高度略有增加，但變化不大，且隆起范圍隨路堤高度增加向外側(cè)略有推移。對于新路堤，其下面軟基土體向外側(cè)的推擠使路堤填土向下移動進(jìn)行填充，使新路堤表面出現(xiàn)不均勻沉降，且不均勻沉降隨路堤高度增加而增加。

(3) 填土高度越高，路基施工完成后安全系數(shù)越小，且高液限黏土路基上邊坡的安全系數(shù)比一般路基的小。施工中需控制路堤填土高度，必要時設(shè)置二級邊坡。