浸水斜坡軟基沉降演化規(guī)律分析

郭錦霞，趙國智

（山西省水利建筑工程局有限公司,山西 太原 030006）

1 引言

路基不均勻沉降通常會導(dǎo)致路面縱橫向開裂、路基失穩(wěn)等病害,在工程建設(shè)中越來越受到研究者的關(guān)注。鄭治[1]通過調(diào)查和分析西部地區(qū)高填方路堤沉降病害得出路基填筑過程中及工后所產(chǎn)生的不均勻沉降是路面結(jié)構(gòu)破壞的主要原因之一。錢家歡[2]等提出路基的不均勻沉降將對路面結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生附加應(yīng)力,使路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫,容易引起路面結(jié)構(gòu)的早期破壞。任超[3]等基于黏聚帶的擴(kuò)展有限元的數(shù)值模擬分析揭示了瀝青路面結(jié)構(gòu)在不均勻沉降下的表面裂縫和反射裂縫的宏觀演化過程。王新岐[4]等基于現(xiàn)有資料建立的軟基上露面結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析模型,計算分析得出：軟基不均勻沉降是引起基層和面層開裂的主要原因。張必勝[5]采用數(shù)值分析方法對福建省軟土地區(qū)典型的倒裝路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算分析,提出了路基雙側(cè)拼寬下倒裝路面結(jié)構(gòu)的最大差異工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。黃永強(qiáng)[6]等采用ANSYS 軟件建立瀝青混凝土路面結(jié)構(gòu)對路基橫向不均勻沉降力學(xué)響應(yīng)的有限元模型,研究得出：不均勻沉降對路面結(jié)構(gòu)（分層厚度、模量）的應(yīng)力具有顯著影響。劉蓓[7]采用ANSYS 軟件建立路面結(jié)構(gòu)分析模型,研究表明：局部的應(yīng)力集中是造成路面結(jié)構(gòu)破壞的直接原因。王大鵬[8]等提出了一種水泥混凝土路面有限元計算模型。根據(jù)模型計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：碎石層具有減小路面結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力（由差異沉降產(chǎn)生）的作用。

由上可知,改善路面結(jié)構(gòu)參數(shù)有利于減少路基不均勻沉降,但對浸水斜坡軟基沉降演化規(guī)律研究較少。因而,本文采用數(shù)值分析方法,開展浸水斜坡軟基沉降分析,探索該特殊路基環(huán)境下的沉降演化規(guī)律,以便于對水利工程設(shè)計和施工提供借鑒參考。

2 工程概況

某水利工程臨時道路穿過斜坡軟基路段,路基面寬度18 m,填方路堤平均高度4 m,路堤邊坡坡比為1∶3。地基土自上而下分別為泥炭（平均厚度6 m）和黏土（平均厚度14 m）,路堤填土為砂土,路面結(jié)構(gòu)自上而下分別為瀝青瑪蹄脂SMA（厚度4 cm）、瀝青混凝土AC20（厚度6 cm）、瀝青穩(wěn)定碎石ATB（厚度24 cm）、級配碎石GM（厚度15 cm）、水泥穩(wěn)定碎石CTB（厚度20 cm）。考慮到該路段地基特殊性,現(xiàn)通過數(shù)值模擬手段探索該路段沉降演化規(guī)律,為后期工程設(shè)計和施工提供參考。

3 模型建立

考慮到臨時道路路基的特殊性,取全斷面分析,同時視為平面應(yīng)變問題。經(jīng)過試算,數(shù)值模型中地基寬度取為80 m,平均深度為20 m,地面坡度為1∶10,以盡量避免、削減邊界條件的影響。地下水位線處于地面最低處。假設(shè)模型中深部的砂土層不會出現(xiàn)變形。因此,模型不包括這一砂土層,取而代之的是使用一個固定邊界。模型見圖1。

圖1 數(shù)值模型（單位：m）

材料參數(shù)見表1、表2。采用15 節(jié)點(diǎn)高精度三角形單元的離散模型。在初始條件中,設(shè)置水容重為10 kN/m3。水壓力完全是靜態(tài)的,基于一條通過點(diǎn)（-40,-4）和（40,4）的一般水位線。固結(jié)分析的邊界條件,在沒有任何附加輸入的情況下,所有邊界都是排水的。因此,水可以通過任何邊界流出,超靜水壓可以在各個方向上消散。但是,本模型左側(cè)和右側(cè)豎直邊界上沒有自由水流流出,因而必須關(guān)閉。上部邊界顯然是透水的,軟土層的超靜水壓可以滲流到下臥的透水砂土層中（沒有包括在模型中）,故底部邊界應(yīng)是透水的。

表1 路面材料參數(shù)

表2 路堤填土和地基土的材料參數(shù)

4 浸水斜坡軟基沉降分析

4.1 浸水斜坡軟基面及坡腳點(diǎn)沉降分析

圖2為浸水斜坡軟基面沉降演化規(guī)律。由圖（a）～（d）可知,隨著上部結(jié)構(gòu)填筑高度增加,軟基面沉降不斷增大且最大沉降不再位于路面中心處,而是均向左（坡底側(cè)）偏移。

圖2 浸水斜坡軟基面沉降

圖3（a）為坡腳點(diǎn)A 和B 在X 方向的位移變化圖,圖中A 和B 點(diǎn)的位移變化方向一致,均沿著坡度下降的方向,且A 點(diǎn)的位移明顯大于B 點(diǎn)。圖（b）為坡腳點(diǎn)A 和B 在Y 方向的位移變化圖,圖中A 和B 點(diǎn)的位移變化方向不同,由于軟基面的傾斜坡腳點(diǎn)A 起初會微微隆起,后又逐漸沉降；B點(diǎn)在荷載的作用下位移方向不改變,在施工期的位移變化曲線較陡。圖（c）可以看出,坡腳點(diǎn)A 和B 的不均勻沉降在路基填筑后為0.37 m,上部結(jié)構(gòu)填筑后為0.85 m,15 年工后達(dá)到

圖3 坡腳點(diǎn)不均勻沉降

1.64 m,變化趨勢逐漸增大,后又趨于平緩,其中83.1%的差異沉降發(fā)生在施工期。綜上可知,施工期A 點(diǎn)和B 點(diǎn)由于受地面坡度（1∶10）影響,其變形均與浸水斜坡軟基路堤的自穩(wěn)性有較大關(guān)系。B 點(diǎn)最終沉降大于A 點(diǎn),是浸水斜坡軟基路堤自穩(wěn)調(diào)整的結(jié)果。

4.2 上部結(jié)構(gòu)及填筑關(guān)鍵點(diǎn)沉降分析

由圖4（a）可知路面會產(chǎn)生工后不均勻沉降,最大的工后沉降差為150 mm,該值大于張必勝[5]提出的最大差異工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)5 mm,且現(xiàn)有研究資料已經(jīng)表明,路面的差異沉降會影響其使用壽命和性能,甚至危及行車安全,因此,工后差異沉降在實(shí)際工程中應(yīng)予以重視。圖（b）為路面點(diǎn)C、D 和E在X 方向的位移變化,其中C 點(diǎn)的位移變化方向不同。圖（c）為路面點(diǎn)C、D 和E 在Y 方向的位移變化,位移變化方向一致。

圖4 路面不均勻沉降

5 結(jié)論

（1）浸水斜坡軟基面沉降隨填筑高度增加而增大,且受斜坡影響兩側(cè)坡腳點(diǎn)差異沉降明顯。

（2）浸水斜坡軟基上部結(jié)構(gòu)沉降隨填筑高度增加而增大,施工期沉降速率及沉降量均明顯大于工后。

（3）浸水斜坡軟基上路面最大沉降中心受斜坡影響向左（坡底側(cè)）偏移。斜坡地基沉降分布規(guī)律明顯不同于平坦地基,實(shí)際工程設(shè)計中應(yīng)予以重視。