路堤分層填筑對(duì)紅黏土地基位移影響分析

劉建海

（云南省鐵路集團(tuán)有限公司，云南 昆明 650118）

0 引言

公路建設(shè)中地基條件對(duì)于路堤填筑有重要影響，對(duì)于一般性質(zhì)的巖土地基，路堤可以直接進(jìn)行填筑；而對(duì)于特殊性質(zhì)巖土類型的地基，路堤填筑之前需要對(duì)地基進(jìn)行工程加固處理。其中紅黏土地基是特殊巖土地基的一種，紅黏土在我國(guó)西南地區(qū)分布較為廣泛，主要集中分布于云南、廣西及貴州三省[1]。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于紅黏土在公路建設(shè)中的影響進(jìn)行了許多研究：秦陽(yáng)[2]以貴州某高速公路紅黏土填筑路基為研究對(duì)象，利用有限元軟件研究了不同填筑速率對(duì)紅黏土路基土體含水率及路堤邊坡穩(wěn)定性的影響；楊華中[3]對(duì)紅黏土路基填土不同的改良方法進(jìn)行了論述；易劍波[4]通過(guò)對(duì)壓實(shí)機(jī)械、壓實(shí)遍數(shù)控制，以及通過(guò)采用級(jí)配碎石改良紅黏土路基的方法提高了紅黏土路基填筑的工程質(zhì)量；曾帥[5]等通過(guò)研究提出一種新型改良劑對(duì)紅黏土路基在干濕循環(huán)過(guò)程中的路用性能有重要提升作用；王有昌等[6]研究了降雨條件下半填半挖紅黏土路基土體的含水率及孔隙水壓力變化；肖慶一等[7]分析了利用石灰改良紅黏土路基路用性能的重要作用；宋遠(yuǎn)明[8]通過(guò)研究水分遷移對(duì)紅黏土路基的危害提出了一種可防治紅黏土路基軟化的措施。

紅黏土在我國(guó)西南地區(qū)分布廣泛，且在公路建設(shè)中路基填筑往往占比較大，通過(guò)上述分析目前對(duì)于紅黏土的研究主要在于對(duì)填土本身的工程性質(zhì)研究，而對(duì)于紅黏土地基條件下路基填筑的沉降變形分析研究較少，因此本文著重分析在紅黏土地基條件下路堤填筑沉降及變形分析。

1 工程概況及模型構(gòu)建

研究工程為云南某在建公路填方段，通過(guò)地勘資料分析，該段地基為深厚紅黏土層，路基填料采用碎石土填筑。模型構(gòu)建主要依據(jù)設(shè)計(jì)提供的斷面圖紙以及地勘提供的地層資料，利用犀牛軟件進(jìn)行立體網(wǎng)格構(gòu)建并導(dǎo)入專業(yè)巖土有限差分軟件FLAC 3D 中，構(gòu)建好的模型如圖1 所示。模型地基為紅黏土層，路堤填土分為三層，從下往上分別為：第一層填土、第二層填土以及第三層填土，第一層填土路堤外側(cè)為擋土墻。整個(gè)模型由55610 個(gè)單元及10962 個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，紅黏土地基層網(wǎng)格大小設(shè)置為越靠近填土網(wǎng)格越小，有利于分析填土對(duì)地基影響的精度。

圖1 路堤模型

2 路堤填筑模擬

要較為準(zhǔn)確地模擬巖土變形等工程問(wèn)題，數(shù)值模擬中選取合適的巖土本構(gòu)模型至關(guān)重要。本次模型采用塑性模型組中的莫爾-庫(kù)侖模型（Mohr-Cou1omb Mode1）計(jì)算分析，屬理想彈塑性模型，而支護(hù)結(jié)構(gòu)物漿砌片石擋土墻采用彈性本構(gòu)模型。本次模擬計(jì)算盡量還原路基真實(shí)的邊界約束情況，最小程度減少人為邊界因素引起的計(jì)算誤差，避免計(jì)算結(jié)果失真，因此采用位移邊界約束條件。對(duì)模型的四個(gè)側(cè)向邊界固定其法向約束，路堤及擋墻臨空面設(shè)置為自由邊界；紅黏土底面邊界固定了X、Y、Z 三個(gè)方向的約束，不允許產(chǎn)生位移。模擬計(jì)算中忽略路堤的路基地層在過(guò)去的地質(zhì)歷史中經(jīng)歷的各種動(dòng)力運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的構(gòu)造應(yīng)力，只考慮地基及路基填土自重應(yīng)力場(chǎng)作用下的位移和應(yīng)力響應(yīng)行為。

按照施工順序，模擬采用先施工擋墻、第一層填土填筑、第二層填土填筑、第三層填土填筑的順序進(jìn)行模擬加載，對(duì)路基填筑進(jìn)行模擬計(jì)算，并對(duì)路堤填土層及紅黏土地基層的位移應(yīng)力進(jìn)行檢測(cè)，其中各土層以及漿砌擋墻的物理力學(xué)參數(shù)取值，如表1 所示。

表1 巖土層及結(jié)構(gòu)物參數(shù)表

模擬計(jì)算中在黏土層設(shè)置3 個(gè)監(jiān)測(cè)位置點(diǎn)，分別監(jiān)測(cè)在不同填筑施工階段中路堤填土對(duì)地基的影響，監(jiān)測(cè)位置如圖2 所示。在填筑中采用2 種不同的填筑方式。方式一：路堤每層填筑后，不進(jìn)行位移及速度清零隨即進(jìn)行下一層填筑，直至路堤填筑達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高。該方式主要模擬實(shí)際施工過(guò)程中填筑速度較快的填筑方式。方式二：路堤每層填筑后，對(duì)上一層土體產(chǎn)生的位移及速度清除后再進(jìn)行下一層填筑，最終達(dá)到路堤填筑設(shè)計(jì)標(biāo)高，該方式主要模擬實(shí)際施工過(guò)程中，填筑速度較慢的填筑方式。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

3 沉降變形分析

通過(guò)模擬計(jì)算可得：在2 種不同的填筑方式下，黏土層設(shè)置的3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)得到的位移值顯著不同，如圖3 所示。從圖中分析可以得出：

（1）3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中位置越低，土體位移值越大。如填筑方式一中位移最大值為1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)；填筑方式二中同樣位移值最大的點(diǎn)為1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)；這主要是由于1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)上路基填土高度最大，因此位移值也最大。

（2）在兩種不同的填筑方式中，填筑方式一產(chǎn)生的對(duì)紅黏土地基位移總是大于填筑方式二對(duì)紅黏土地基土體的位移；這主要是由于填筑方式1 每層填筑的間隔時(shí)間較短，土體在自重作用下的沉積沒(méi)有作用完全，因此導(dǎo)致黏土地基土體產(chǎn)生的位移是各土層自重力之和產(chǎn)生的作用力之和，而填筑方式2 每層填筑的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，各層土體在填筑后自重作用下的沉積已經(jīng)作用完全，因此最終黏土地基土體的位移值要小。

圖3 不同填筑方式的位移

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)紅黏土地基條件下路堤分層填筑的模擬分析可以得出，路基填筑高度越大對(duì)地基土體造成的位移影響越大；路堤分層填筑時(shí)，分層填筑的間隔時(shí)間對(duì)地基土體的位移有重要影響，分層填筑的間隔越長(zhǎng)路堤最終填筑完成時(shí)紅黏土地基產(chǎn)生的位移量越小。