車(chē)輛荷載對(duì)不同壓實(shí)度黏土路堤沉降的影響

朱分清， 陳 群

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司公路與市政設(shè)計(jì)研究院， 成都 610083； 2.四川大學(xué)水利水電學(xué)院水力學(xué)與山區(qū)河流開(kāi)發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610065)

填方路基即路堤在公路工程中較為普遍，路堤的沉降變形將導(dǎo)致路基路面病害的衍生，進(jìn)而影響行車(chē)安全及舒適性，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)路基塌方等嚴(yán)重病害，危及道路的使用安全[1]。目前，很多學(xué)者通過(guò)理論研究、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)等方法對(duì)填方路基的變形進(jìn)行了研究。張幸幸等[2]基于等價(jià)黏彈塑性模型理論，提出了可預(yù)測(cè)長(zhǎng)期交通荷載作用下路基沉降的方法。關(guān)振長(zhǎng)等[3]針對(duì)某陡坡高填路堤采用BBM(Barcelona basic model)本構(gòu)模型對(duì)其分層沉降特性展開(kāi)數(shù)值模擬，為路堤的沉降計(jì)算及工程設(shè)計(jì)提供參考。吳毅翔[4]根據(jù)軟基處理工程中固結(jié)變形特性，得到高速公路工前和工后考慮荷載影響的軟基沉降計(jì)算公式。王建軍等[5]研究表明，考慮應(yīng)力擴(kuò)散的三參數(shù)Kerr 彈性地基模型模擬能更加準(zhǔn)確地模擬低填方加筋路堤的沉降。鄭棟等[6]提出了基于貝葉斯理論的多源信息融合方法進(jìn)行路堤沉降預(yù)測(cè)。尹紫紅等[7]通過(guò)數(shù)值模擬軟土路基上路堤的分層填筑，得出路堤中線地表處的沉降量最大、向兩側(cè)逐漸減小的規(guī)律。吳福寶[8]使用分層沉降儀監(jiān)測(cè)某高填方路堤的工后沉降，并用ANSYS有限元軟件開(kāi)展了不同壓實(shí)度下路堤工后沉降量分析。孫鍇等[9]利用FLAC3D軟件研究了在不同壓實(shí)度和填筑高度下路堤模型的豎向沉降、水平位移及其變化規(guī)律。蔣中明等[10]應(yīng)用顯式動(dòng)力有限元法，充分考慮地基土的彈塑性特性，針對(duì)車(chē)輛單次及反復(fù)加載作用下路基結(jié)構(gòu)的累積豎向變形進(jìn)行了分析和探討。崔兵等[11]設(shè)計(jì)并制作了低路堤軟黏土地基模型，通過(guò)試驗(yàn)獲得了低路堤軟黏土地基在交通荷載作用下的動(dòng)力特性發(fā)展規(guī)律。

目前，對(duì)于車(chē)輛荷載工況下路堤填土沉降變形和壓實(shí)特性方面的研究成果不多，且黏土的壓縮性較大，黏土填方在車(chē)輛荷載作用下的變形關(guān)系到路基的安全和正常運(yùn)營(yíng)。為此，以某高速公路填方黏土路堤(圖1)為研究對(duì)象，采用GeoStudio有限元軟件開(kāi)展路堤施工和運(yùn)行的數(shù)值模擬，研究車(chē)輛荷載對(duì)不同壓實(shí)度路堤沉降的影響，為施工期和運(yùn)營(yíng)期黏土填方路堤的沉降和壓實(shí)度控制提供參考。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)黏土路堤填筑照片F(xiàn)ig.1 Photos of on-site clay embankment filling

1 計(jì)算方法

1.1 計(jì)算軟件及計(jì)算模型

為了獲得在行車(chē)荷載作用下路堤沉降的變化規(guī)律，采用GeoStudio有限元軟件模擬路堤在填筑過(guò)程中以及荷載作用下的變形。該段地層從上至下依次為坡積黏土(厚3 m)、殘積黏土(厚9 m)、基巖，基巖的沉降基本為零，故有限元計(jì)算時(shí)不考慮基巖的變形。假定路堤填筑高度為8 m，頂寬26 m，邊坡坡率按規(guī)范取為1∶1.5。計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 高8 m路堤計(jì)算模型Fig.2 Simulation model of 8 m high embankment

根據(jù)地勘資料，該段地下水埋深較淺，位于地表下2 m，路堤計(jì)算模型的土體構(gòu)成為路堤填筑土和地基的坡、殘積黏土。模型頂面為自由排水面，模型下部為基巖面，假定為不透水邊界，地下水位以下的邊界設(shè)置為已知水頭。模型的邊界約束條件為：底部水平和豎直方向都受到位移約束，而兩側(cè)只受到水平方向位移約束。每層路堤表面的重車(chē)荷載以及路堤頂面的行車(chē)荷載都采用均布應(yīng)力邊界條件施加。

1.2 本構(gòu)模型

摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型是理想的彈塑性模型，由于參數(shù)較少，其破壞準(zhǔn)則能較好地模擬土體的破壞特征，因此在巖土工程中運(yùn)用廣泛。路堤填筑黏土的模擬采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型。考慮到地基土的模量會(huì)隨深度的增大而增大，故對(duì)地基坡、殘積黏土采用模量隨豎向應(yīng)力增大而增大的非線性彈塑性本構(gòu)模型[12]。

2 計(jì)算方案及參數(shù)

2.1 計(jì)算方案

考慮施工過(guò)程中的重車(chē)及公路通車(chē)運(yùn)營(yíng)后行車(chē)荷載對(duì)路堤填土變形影響，采用填高8 m、壓實(shí)度為85%、90%和93%的路堤分別進(jìn)行分析。擬定如下3個(gè)計(jì)算方案。

方案1施工期僅考慮路堤填土自重作用。路堤每填筑1 m作為一個(gè)模擬分層，工程實(shí)際分層厚度為0.3～0.4 m，每個(gè)模擬層對(duì)應(yīng)實(shí)際的3個(gè)填筑層。若實(shí)際每天填筑一層，則每層的模擬填筑時(shí)間為3 d，再繼續(xù)固結(jié)2 d，則8 m高的路堤總填筑工期為40 d。

方案2施工過(guò)程中重載車(chē)輛對(duì)路堤沉降變形的影響。假設(shè)每填筑1 m路堤，重車(chē)壓實(shí)0.5 d，再固結(jié)1.5 d，總工期與方案1相同。重車(chē)按55 t考慮，將其最重的后輪荷載140 kN均布到路堤4 m寬的一個(gè)行車(chē)道上，可得均布荷載強(qiáng)度為35 kPa。因施工臨時(shí)過(guò)車(chē)并非整個(gè)路面都同時(shí)受荷，對(duì)作用面積和時(shí)間折減后，采用20 kPa的均布荷載模擬重車(chē)荷載。

方案3道路運(yùn)營(yíng)后行車(chē)荷載對(duì)沉降變形的影響。當(dāng)路堤竣工后(不考慮施工期重車(chē)荷載)，在路堤頂面兩邊除應(yīng)急車(chē)道外的路面范圍施加20 kPa的均布荷載，研究行車(chē)荷載的作用對(duì)于路堤沉降的影響。本次計(jì)算分析采用的3種壓實(shí)度的路堤填土所對(duì)應(yīng)的填筑干密度及最大干密度值如表1所示。

2.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算參數(shù)的選擇直接影響分析的結(jié)果，地基為坡積黏土和殘積黏土，其參數(shù)來(lái)源于該高速公路項(xiàng)目的地勘報(bào)告；由于當(dāng)?shù)厝狈Υ至Ｌ钪希返烫钪敛捎卯?dāng)?shù)亻_(kāi)挖的黏土，其參數(shù)通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)取得。3種不同壓實(shí)度的路堤填筑黏土及地基坡、殘積黏土的各個(gè)計(jì)算參數(shù)如表2所示。

3 結(jié)果和分析

3.1 竣工時(shí)重車(chē)荷載作用下路堤的沉降規(guī)律

圖3為無(wú)重車(chē)荷載作用竣工時(shí)不同壓實(shí)度填土路堤沉降量等值線圖?？梢钥闯?，盡管填土路堤的壓實(shí)度不同，但3種情況下竣工后路堤堤身沉降量的分布規(guī)律基本相同，其最大值均出現(xiàn)在路堤軸線附近，且距離路堤基底約1/4堤高處。因?yàn)榈鼗某两盗枯^大，致使路堤堤身發(fā)生最大沉降量的位置下移。另外，隨著填土壓實(shí)度的增大，地基的最大沉降量也略微增大。這是由于地基較厚，壓實(shí)度較大的填土自重應(yīng)力較大，造成更大的地基沉降量。

圖4為有重車(chē)荷載作用竣工時(shí)不同壓實(shí)度填土路堤沉降量等值線圖。有重車(chē)作用時(shí)，沉降量最大值出現(xiàn)的位置都稍高于無(wú)重車(chē)的情況。隨著填土壓實(shí)度的增大，竣工時(shí)路堤的沉降量等值線最大值范圍略微減小。地基中沉降量等值線的分布隨壓實(shí)度的變化無(wú)明顯差異。

表3列出了各種情況下路堤和地基的最大沉降量值。圖5為竣工時(shí)路堤的最大沉降量隨壓實(shí)度的變化曲線。3種不同的壓實(shí)度情況下，施工過(guò)程中受重車(chē)荷載的路堤竣工時(shí)的最大沉降量為50.27～51.56 cm，較無(wú)重車(chē)荷載的25.35 ～28.06 cm增大80.8%～103.4%。說(shuō)明施工期的重車(chē)荷載會(huì)加速路堤的固結(jié)沉降。

圖3 無(wú)重車(chē)荷載竣工時(shí)不同壓實(shí)度路堤沉降量等值線圖Fig.3 Settlement contours of embankment with different compaction degree at completion without heavy vehicle load

圖4 有重車(chē)荷載竣工時(shí)不同壓實(shí)度路堤沉降量等值線圖Fig.4 Settlement contours of embankment with different compaction degree at completion with heavy vehicle load

表2 路堤填土和地基土的計(jì)算參數(shù)

表3 路堤及地基的最大沉降量值

圖5 竣工時(shí)路堤最大沉降量隨填土壓實(shí)度的變化Fig.5 Change in maximum settlement with compaction degree of embankment at completion

有無(wú)重車(chē)荷載作用時(shí)，竣工時(shí)路堤最大沉降量隨壓實(shí)度變化而變化的規(guī)律不同。無(wú)重車(chē)荷載時(shí)，最大沉降量隨壓實(shí)度的增大而略有增大，由表3中數(shù)據(jù)可知，壓實(shí)度93%的路堤的最大沉降量比壓實(shí)度85%的路堤增大10.7%。這是因?yàn)樘钔恋膲簩?shí)度越大，自重應(yīng)力就越大，引起的地基沉降就更大，故竣工時(shí)路堤的最大沉降量受地基變形的影響更大。有重車(chē)荷載時(shí)，最大沉降量隨壓實(shí)度的增大而略有減小，壓實(shí)度93%的路堤的最大沉降量比壓實(shí)度85%的減小1.6%。說(shuō)明施工期的重車(chē)荷載主要作用于路堤本身，對(duì)地基的作用較小，因此，壓實(shí)度較大的路堤最大沉降量較小。重車(chē)荷載作用下，路堤填土壓實(shí)度越大，最大沉降量的增量就越小，說(shuō)明路堤填土越密實(shí)，其沉降受重車(chē)荷載的影響就越小。

圖6 竣工時(shí)堤身最大相對(duì)沉降量隨填土壓實(shí)度的變化Fig.6 Change in maximum relative settlement with compaction degree of embankment itself at completion

圖6為施工期堤身的最大相對(duì)沉降量隨填土壓實(shí)度的變化曲線。最大相對(duì)沉降量為扣除地基表面沉降量后路堤本身的最大沉降量。各種壓實(shí)度情況下，受重車(chē)荷載的路堤竣工時(shí)堤身的最大相對(duì)沉降量為4.39～6.09 cm，較無(wú)重車(chē)荷載的1.95～2.31 cm，增大125.1%～163.6%。受重車(chē)荷載的路堤竣工時(shí)堤身的最大相對(duì)沉降量都隨壓實(shí)度的增大而減小。這是因?yàn)閴簩?shí)度越大，填土越硬，因此堤身的沉降量越小，最大沉降量也就越小。有重車(chē)荷載時(shí)，最大相對(duì)沉降量隨壓實(shí)度的減小比無(wú)重車(chē)時(shí)更明顯，重車(chē)荷載產(chǎn)生的沉降增量隨壓實(shí)度的增大略微減小，這是由于壓實(shí)度小的填土更松散，對(duì)重車(chē)荷載的作用更敏感。對(duì)比圖5和圖6可知，堤身的沉降量占總沉降量的比例很小，這是因?yàn)槁返讨碌牡鼗^厚，總沉降量的大部分是地基的沉降。并且重車(chē)荷載對(duì)堤身沉降的影響大于對(duì)地基沉降的影響。

3.2 運(yùn)營(yíng)期行車(chē)荷載作用下路堤的沉降規(guī)律

圖7為運(yùn)營(yíng)期行車(chē)荷載下不同壓實(shí)度填土路堤沉降量等值線圖?？芍?，盡管壓實(shí)度不同，但3種情況下運(yùn)營(yíng)期路堤堤身沉降量的分布規(guī)律基本相同，其最大值均出現(xiàn)在路堤軸線附近，距離路堤基底約1/3堤高處，且填土壓實(shí)度越大，沉降量越小。

圖7 運(yùn)營(yíng)期行車(chē)荷載作用下不同壓實(shí)度路堤沉降量 等值線圖Fig.7 Settlement contours of embankment with different compaction degree in operation period with traffic load

圖8為運(yùn)營(yíng)期路堤的最大沉降量隨壓實(shí)度的變化曲線。由表3和圖8可知，行車(chē)荷載作用后路堤的最大沉降量達(dá)到33.24～34.68 cm，比竣工時(shí)增大6.62～7.89 cm，增量達(dá)23.6%～31.1%。行車(chē)荷載作用后路堤的最大沉降量隨壓實(shí)度的增大而略有增大。這是因?yàn)槁返痰淖灾睾奢d大于行車(chē)荷載，壓實(shí)度較大的路堤自重較大，故造成地基沉降量也較大。壓實(shí)度越大，路堤最大沉降量增量越小，壓實(shí)度93%的路堤的行車(chē)沉降增量比壓實(shí)度85%的減小16.1%。說(shuō)明行車(chē)荷載對(duì)路堤沉降量的影響隨著填土壓實(shí)度的增大而減小。

圖9為運(yùn)營(yíng)期堤身的最大相對(duì)沉降量隨壓實(shí)度的變化曲線?？芍鞣N壓實(shí)度情況下，行車(chē)荷載作用后堤身的最大相對(duì)沉降量達(dá)到2.48～4.01 cm，比竣工時(shí)增大0.5～1.7 cm，增量達(dá)27.2%～73.6%。行車(chē)荷載作用前、后堤身的最大相對(duì)沉降量都隨壓實(shí)度的增大而減小。原因是壓實(shí)度越大，填土越硬，因此堤身的壓縮量明顯越小。說(shuō)明行車(chē)荷載對(duì)堤身壓縮量的影響隨壓實(shí)度的增大而減小。對(duì)比圖8與圖9可知，行車(chē)荷載對(duì)單位厚度路堤填土的壓縮量影響大于對(duì)單位厚度地基沉降量的影響。

由表3中數(shù)據(jù)可知，竣工時(shí)無(wú)行車(chē)荷載作用下，隨壓實(shí)度的增大，路堤最大沉降量從25.35 cm增大至28.06 cm，增大10.7%(主要源于地基變形)；堤身最大相對(duì)沉降量從2.31 cm減小至1.95 cm，減小15.6%。運(yùn)營(yíng)期有行車(chē)荷載作用下，路堤最大沉降量隨壓實(shí)度的增大從33.24 cm增大至34.68 cm，增大4.3%；堤身最大相對(duì)沉降量從4.01 cm減小至2.48 cm，減小38.2%。對(duì)比前面的分析可知，行車(chē)荷載對(duì)路堤本身沉降量的影響大于對(duì)地基沉降量的影響。這是因?yàn)樾熊?chē)荷載對(duì)路堤沉降的影響分為兩部分，一是對(duì)地基的壓縮，二是對(duì)路堤本身的壓縮。荷載直接作用于路堤，對(duì)路堤的作用效應(yīng)遠(yuǎn)大于對(duì)地基的作用。而壓實(shí)度的增大一方面造成路堤本身壓縮量的減小，同時(shí)，由于密度的增大會(huì)給地基施加更大的壓力而造成更大的地基沉降。

圖8 運(yùn)營(yíng)期路堤的最大沉降量隨填土壓實(shí)度的變化Fig.8 Change in maximum settlement with compaction degree of embankment in operation period

圖9 運(yùn)營(yíng)期堤身最大相對(duì)沉降量隨填土壓實(shí)度的變化Fig.9 Change in maximum relative settlement with compaction degree of embankment itself in operation period

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某高速公路地基上的黏土填方路堤在施工期重車(chē)荷載以及運(yùn)營(yíng)期行車(chē)荷載作用下路堤變形的有限元數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論。

(1)對(duì)于不同壓實(shí)度的路堤，施工過(guò)程中的重車(chē)荷載作用使路堤的沉降量增大80.8%～103.4%，有利于路堤的固結(jié)沉降。重車(chē)荷載對(duì)路堤總沉降量和堤身相對(duì)沉降量的影響都隨壓實(shí)度的增大而減小。且重車(chē)荷載對(duì)堤身沉降的影響大于對(duì)地基沉降的影響。

(2)運(yùn)營(yíng)期行車(chē)荷載作用后路堤的沉降量和堤身的壓縮量都增大。路堤最大沉降量和堤身最大相對(duì)沉降量增量分別為23.6%～31.1%和27.2%～73.6%。行車(chē)荷載引起的最大沉降量和堤身最大相對(duì)沉降量增量都隨壓實(shí)度的增大而減小。

(3)路堤壓實(shí)度越大，車(chē)輛荷載對(duì)路堤沉降的影響越小，且對(duì)堤身沉降的影響大于對(duì)地基的影響。