山區(qū)高填方路堤沉降規(guī)律研究

劉忠祥

(江西東通交通科技股份有限公司，江西 南昌 330013)

0 引 言

公路路基是整個道路結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，路基的穩(wěn)定與沉降控制是保證汽車安全、快速和運(yùn)行舒適的關(guān)鍵。尤其對于高填方路堤，在自重作用下，高填方路堤往往會產(chǎn)生較大的豎向位移，包括原地基土在路堤荷載作用下產(chǎn)生的豎向位移和路堤自重引起的土體本身的壓縮與固結(jié)，這些豎向位移往往需要較長的沉降時間才能完成。因此，對于高填方路堤，不僅要求其在施工過程中的安穩(wěn)，還要保證項(xiàng)目竣工后不會產(chǎn)生過大的沉降和不均勻沉降，以免造成路面下陷及不均勻沉降等一些工程問題。近年來，土工格柵以其優(yōu)異的加固效果在提升高填方路堤穩(wěn)定性的工程中被廣泛使用。

1 工程概況

318國道利川繞城段項(xiàng)目(K0+000～ZK6+906，K0+000～YK6+886)，線路總長6.886 km，因地形及選線原因，不可避免出現(xiàn)高填方路段。線路區(qū)在大地構(gòu)造上位于新華夏系第三隆起帶和第三系帶之接合部位，線路區(qū)無大的地質(zhì)構(gòu)造，該路基段附近無斷裂通過。高填路堤線路區(qū)屬構(gòu)造侵蝕溶蝕低中山區(qū)，場區(qū)上覆蓋有：(1)粉質(zhì)黏土(Qhal+l)：黃褐色，可塑為主，局部為硬塑；(2)灰?guī)r(Tlj)：灰色，微晶結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖芯較破碎，多呈碎塊狀，一般塊徑為3～8 cm，最大為10 cm。路基段位于一巖溶洼地中央，地表基巖零星出露，地表植被多為雜草和灌木，采用挖除覆蓋層，回填塊石、碎石進(jìn)行加固處理。項(xiàng)目中各段高填路基段填筑高度大致相當(dāng)，本文選取K4+540高填方路堤斷面進(jìn)行研究。路堤填筑共有四層，各層高度從上至下依次為8 m、8 m、8 m和4 m，且除第一層路堤坡率為1∶1.5外，其余各層坡率均為1∶1.75，在上路床頂部、下路床頂部和底部分別鋪設(shè)雙向土工格柵以控制路面不均勻沉降。

2 模型及計算參數(shù)

318國道利川繞城段K4+540斷面是本項(xiàng)目典型的高填方路堤斷面，大部分高填方路堤斷面與此斷面相似，因此本文參考此高填方路堤斷面設(shè)計圖，使用Hypermesh建立高填方路堤二維模型，并導(dǎo)入大型有限元分析軟件Abaqus建立高填方路堤二維有限元模型，通過有限元軟件模擬高填方路堤的填筑施工過程，研究路堤整體的沉降規(guī)律和表面的不均勻沉降。

模型中地基土共兩層，分別為粉質(zhì)黏土和灰?guī)r，厚度分別為15 m和25 m。通過查閱工程地質(zhì)資料，在有限元分析模型中粉質(zhì)黏土采用Clay Plasticity模型，模型參數(shù)如表1所示；灰?guī)r采用Drucker-Prager(D-P)彈塑性模型，其材料參數(shù)如表2、3所示。整個路堤共分四層填筑，各層從上到下依次高4 m、8 m、8 m和8 m，除最上層坡率為1∶1.5外，其余三層坡率均為1∶1.75，路堤材料采用Drucker-Prager(D-P)彈塑性模型，材料參數(shù)如表2、3所示。路面結(jié)構(gòu)材料共有5層，各層厚度及材料屬性參數(shù)如表4所示。地下水在天然地基以下5 m處，模型中考慮地下水對路堤沉降的影響，分析高填方路堤分層填筑時在其填料自重應(yīng)力下高填方路堤所產(chǎn)生的沉降及表面的不均勻沉降規(guī)律。

表1 Clay plasticity(粉質(zhì)黏土)模型參數(shù)

表2 Drucker-Prager(灰?guī)r、路堤填料)模型參數(shù)

表3 Drucker-Prager模型的硬化參數(shù)

表4 路面結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 結(jié)果分析

依據(jù)工程實(shí)際施工情況，本項(xiàng)目因挖方地段較多，因此路堤填筑采用土石混合材料，為使填料級配良好保證填料得到較好的壓實(shí)效果，在填石的縫隙內(nèi)灌入石渣、石屑、粗砂等使孔隙填滿，并敲掉尖角部分，保持頂面適當(dāng)平整。路堤填筑時間不得小于6個月，施工時應(yīng)勻速填筑，填筑竣工后應(yīng)至少預(yù)壓6個月后方可進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)的鋪筑。同時，為減少路面沉降差異，在高填方路堤上路床頂部、下路床頂部和底部分別鋪設(shè)雙向土工格柵，土工格柵采用TPG50-50凸結(jié)點(diǎn)雙向(塑料)加筋格網(wǎng)，其屈服伸長率≤10%，極限結(jié)點(diǎn)剝離力>500 N。在鋪完土工格柵后，應(yīng)及時(48 h內(nèi))填筑填料，且每層填筑遵循“先兩邊后中部”的原則對稱進(jìn)行，并保證路面的平整度。高填方路堤的填筑順序及填筑時間如圖1所示。

依據(jù)圖1所示的高填方路堤加載歷程曲線，首先進(jìn)行天然地基的地應(yīng)力平衡，然后分層填筑路堤。這是由于所構(gòu)建的模型尺寸，大多與工程實(shí)際一致，其現(xiàn)在的樣子是經(jīng)過長時間變形后的形態(tài)，無從知道多年前未發(fā)生變形之前的形態(tài)。結(jié)構(gòu)內(nèi)部由于多年的自重應(yīng)力作用，內(nèi)力抵抗自身的重力作用而達(dá)到平衡狀態(tài)，因此在路堤填筑之前，首先要進(jìn)行地應(yīng)力的平衡。一般來說，當(dāng)模型在重力作用下變形達(dá)到10～10數(shù)量級可認(rèn)為達(dá)到了地應(yīng)力平衡狀態(tài)。經(jīng)地應(yīng)力平衡后地基變形達(dá)到了10數(shù)量級，平衡效果很好。然后進(jìn)行各層路堤的分層填筑，在Abaqus有限元分析軟件中采用生死單元進(jìn)行模擬，依據(jù)工程實(shí)際填筑高度和填筑時間間隔，各層之中每填筑1 m高度間隔10 d，路堤每填筑一層間隔20 d時間。

圖1 高填方路堤填筑加載歷程曲線

可以看出高填方路堤沉降值隨時間的增大而逐漸增大，其最大沉降部分位于填筑路堤的中下部。這是由于高填方路堤填料重量大，在其自重荷載的作用下，天然地基受到外部荷載作用，進(jìn)一步發(fā)生塑性變形而引起的。

圖2 道路表面中心點(diǎn)沉降

圖3 道路表面沉降

工程實(shí)際施工中，為保證路面施工質(zhì)量、保障道路行車安全，在路堤上部結(jié)構(gòu)采用了3層土工格柵進(jìn)行加筋。為進(jìn)一步研究土工格柵對高填方路堤沉降控制的作用，本文做了對比模型，即不采用土工格柵加固路基。采用Origin對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并繪制圖形。圖2為路面竣工完成后路面表面中心點(diǎn)10年內(nèi)的沉降對比，可以看出，兩類模型的沉降規(guī)律基本一致，即隨著時間的增加，路堤填料從彈性階段逐步過渡至彈塑性階段，沉降速率逐步降低，并最終趨于穩(wěn)定；在路面竣工后初期，土工格柵對道路表面沉降的影響基本為零，隨著時間的增長，影響逐漸增大，但差異較整體沉降可忽略不計，其原因可能是由于土工格柵僅在路堤的表層鋪設(shè)而未在路堤各部分分別加筋。圖3為道路表面沉降點(diǎn)的豎向沉降值，因模型整體結(jié)構(gòu)對稱，取左側(cè)一半進(jìn)行研究，對比道路橫斷面不同位置的沉降差異，橫坐標(biāo)數(shù)值代表觀測沉降點(diǎn)距道路表面中心點(diǎn)的距離?？梢钥闯?，當(dāng)使用土工格柵時道路表面的沉降較未使用土工格柵的沉降量小，使用土工格柵時道路表面的沉降差值大概為0.3 cm，未使用土工格柵的沉降差值大概為0.7 cm，表面不均勻沉降降低幅度近60%。因此，可以看出使用土工格柵加固路堤表層可有效較低路面的不均勻沉降，提升路面平整度和施工質(zhì)量。

4 結(jié) 論

本文依托實(shí)際工程，通過Abaqus有限元分析軟件模擬了山區(qū)高填方路堤的整個填筑施工過程和工后沉降，研究了路堤整體沉降規(guī)律和表面的不均勻沉降，并通過對比模型分析了土工格柵的使用對于高填方路堤整體沉降控制以及路面不均勻沉降的控制效果。主要得到了以下幾個結(jié)論：

(1)高填方路堤的沉降速率隨著固結(jié)時間的增大而減小，在路面竣工2年后，沉降量已達(dá)總沉降量的70%以上，且沉降速率大幅度降低，沉降逐步趨于穩(wěn)定；

(2)當(dāng)使用土工格柵加固高填方路堤上部路基時，路基總體沉降會略微減少，約占總沉降量的6%，對沉降的總體控制效果不明顯；

(3)使用土工格柵加固高填方路堤的上部結(jié)構(gòu)時，由于土工格柵整體強(qiáng)度大，因此可以有效地降低道路表面因路基的整體沉降而引起的路面不均勻沉降，提高路面施工質(zhì)量，保證行車安全。