排水帶加速黃土路基固結沉降的數(shù)值模擬研究

熊潭清

摘 要：【目的】路基填筑過程中產(chǎn)生的沉降及其工后沉降，將會直接影響工程施工質(zhì)量、工期和后期維護費用?！痉椒ā繛樘骄颗潘畮г谌T峽黃土路基的作用效果，運用Settle 3D軟件建立數(shù)值模型，分析自然、降雨工況下排水帶間距對原狀和重塑黃土路基固結沉降的影響?！窘Y果】研究結果表明：降雨工況下的沉降量和沉降速率較自然工況下的大，這種現(xiàn)象在原狀路基上最為明顯；排水帶能夠顯著加快黃土路基的沉降速率，其效果隨著排水帶間距的縮短而增強；排水帶間距由8.0 m縮短為2.0 m時，排水帶改善黃土路基的效果達到穩(wěn)定，間距在0.5～2.0 m之間變化時，其改善效果并不明顯?！窘Y論】針對三門峽黃土路基工程，建議排水帶間距可選擇為2.0 m。

關鍵詞：黃土；路基；排水帶；Settle 3D

中圖分類號：TU443? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1003-5168（2023）06-0053-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.010

Numerical Simulation Study on Drainage Belt Accelerating

Consolidation Settlement of Loess Subgrade

XIONG Tanqing

（North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： [Purposes] The settlement generated during the subgrade filling process and its post-construction settlement will directly affect the construction quality， construction period and subsequent maintenance costs. [Methods] In order to explore the effect of drainage belt on Sanmenxia loess subgrade， a numerical model was established by using Settle 3D software to analyze the influence of drainage belt spacing on the consolidation settlement of undisturbed and remolded loess subgrade under natural and rainfall conditions. [Findings] The results show that the settlement and settlement rate under rainfall conditions are larger than those under natural conditions， and this phenomenon is most obvious on the undisturbed subgrade. Drainage belt can significantly accelerate the settlement rate of loess subgrade， and its effect increases with the shortening of drainage belt spacing. When the spacing of drainage belt is shortened from 8.0 m to 2.0 m， the effect of drainage belt on improving loess subgrade is stable， and the improvement effect is not obvious when the spacing is between 0.5 m and 2.0 m. [Conclusions] For the Sanmenxia loess subgrade project， it is recommended that the drainage belt spacing be 2.0 m.

Keywords： loess; subgrade; drainage belt; Settle 3D

0 引言

黃土在我國廣泛分布，常作為天然建筑材料用于路基的填方工程中。然而黃土路基易受降雨等惡劣氣候的影響，產(chǎn)生不均勻沉降、泥石流、滑坡、坍塌等工程問題［1-5］。近些年，黃土高填方越來越多地出現(xiàn)在高速公路工程建設中，其過大的沉降或不均勻沉降將會導致上部建筑物的開裂甚至倒塌。排水帶作為一種加速地基排水的措施，因其快捷、經(jīng)濟，廣泛應用在一些軟土工程中。

現(xiàn)場試驗研究中，李富強等［6］指出排水帶能在較短時間（50 d）內(nèi)使軟土地基達到固結穩(wěn)定的結論；趙輝等［7］指出使用排水板處理再進行堆載預壓后的超軟黏土在處理前后其主要的物理性質(zhì)指標均有較大改善；Gui等［8］指出排水固結和預壓聯(lián)合法有利于加速路基排水固結，減少工后沉降。

有關數(shù)值模擬方面研究，李均宏［9］運用ABAQUS模擬排水帶影響深度對軟基的固結影響；Alielahi等［10］運用Settle 3D軟件模擬排水帶堆載預壓技術改良地基性能的效果；Kazem等［11］指出如果Settle 3D軟件中土的參數(shù)選擇得當，能夠合理估計沉降和固結時間。

國內(nèi)外針對排水帶對軟土地基的加固研究較多，但針對黃土路基的研究較少。為了研究排水帶在黃土路基中的可行性，本研究以國道G310三門峽西至豫陜界段南移新建工程為依托，通過試驗獲得其黃土路基的基本物理指標和模擬參數(shù)，依據(jù)土水特征曲線估測黃土非飽和滲透系數(shù)［12］，再運用Settle 3D軟件模擬研究排水帶對黃土路基固結的影響，以期為類似工程施工提供指導。

1 工程概況和土體試驗參數(shù)

1.1 工程概況

國道G310三門峽西至豫陜界段南移新建工程是豫西地區(qū)溝通陜西省的重要通道，其路基工程包含黃土路基填筑工程。施工段起始樁號K134+300，終止樁號K173+193，全長約38 km。本研究選取典型的路堤K142+824～K143+089進行數(shù)值模擬分析。路基填筑高度為40 m，該工程進行分層填筑，每層均為2 m，考慮施工天氣和人為因素影響，現(xiàn)模擬每層10 d填筑。其邊坡坡率：當邊坡距地面高h<8 m時，邊坡坡度為26.57°；當8< h< 16 m時，邊坡坡度為29.74°；當16

1.2 土體參數(shù)

通過室內(nèi)試驗獲得施工段路基黃土的基本物理特性指標如表1所示，顆粒級配曲線如圖1所示。由此可以判別該處路基黃土為級配良好的低液限粉質(zhì)黃土［13］。

制備原狀黃土和壓實黃土試樣（其中壓實度為95%）進行固結壓縮試驗，得到原狀和壓實黃土的變形模擬參數(shù)，以此評價壓實黃土的變形特性，并為Settle 3D數(shù)值模擬分析高填路基填筑不同時間的沉降提供試驗數(shù)據(jù)。具體模擬參數(shù)如表2所示。由此可判斷，原狀黃土為高壓縮性土，擊實黃土為低壓縮性土。

1.3 土體非飽和滲透系數(shù)的確定

非飽和土孔隙中不僅存在水相，還存有空氣，在探究其滲透性時，一般假定水只能通過水的孔隙通道流動，無法通過占有空氣的孔隙流動，其滲透系數(shù)一般較飽和土小很多［14］。目前獲得非飽和滲透系數(shù)的方法有兩種：直接法、間接法。直接法測量時間長，操作也比較復雜，因此我們采用間接法測量其非飽和土滲透系數(shù)。

本研究非飽和滲透模型采用的是Van Genuchten［15］于1980年根據(jù)統(tǒng)計學孔徑分布理論提出的以有效飽和度來表示的形式，如公式（1）。

式中，k為非飽和滲透系數(shù)；ks為飽和滲透系數(shù)；l為經(jīng)驗參數(shù)，取0.5。

針對三門峽非飽和黃土的土水特性曲線描述，本研究采用Van Genuchten提出的土水特征曲線，如式（2）、式（3）。

式中，s為吸力；θ為含水量；θr為殘余含水量；θs為飽和含水量；a為參數(shù)，kPa-1；n、m均為經(jīng)驗參數(shù)，其中n>1，m=1-1/n；Se為有效飽和度。

本研究通過滲透試驗確定原狀和壓實狀態(tài)下的黃土浸水條件下的飽和滲透系數(shù)。聯(lián)合使用結合壓力板法、濾紙法和蒸汽平衡法獲得黃土原狀和重塑的全吸力范圍土水特征曲線。由于篇幅原因，在此不作細述。采用公式（2）（3）對所得特征曲線進行擬合，其擬合曲線和擬合結果如圖2和表3所示。聯(lián)合公式（1）（2）（3），最終得到滲透系數(shù)與吸力的關系，其結果如圖3所示。其非飽和系數(shù)的確定如表4所示。

2 數(shù)值模擬

路堤本身采用黃土填方，本次模擬考慮路堤土體為原狀黃土、壓實黃土，其中以重塑土體室內(nèi)試驗參數(shù)來模擬現(xiàn)場施工的壓實土。考慮自然、降雨條件兩種氣象工況下施工，以土體原狀參數(shù)和完全浸水參數(shù)分別模擬實際現(xiàn)場的自然條件和極端的降雨條件。

參考《土工合成材料應用技術規(guī)范》（GB/T 50290—2014）［16］，本研究排水帶寬設為100 mm，厚設為4 mm，插入地基深度設為20 m，按照等邊三角形排列，布置范圍比建筑物基礎輪廓線范圍大2 m，且鋪設排水帶時應在地基表面填筑一層厚度為400 mm的排水砂墊層，覆蓋范圍與排水帶一致，本次模擬采用的排水帶模擬參數(shù)見表5。每種工況下對不鋪設排水帶和鋪設排水帶進行模擬，排水帶間距設有0.5 m、1.0 m、2.0 m、4.0 m、8.0 m五個間距。

張志軍等［17］指出對于黃土高填方路基，沉降量最大的地方為路基中心位置，并且會沿中心線向兩邊沉降逐漸減小。故本研究選取的分析點為中心線上路基橫截面與路基中心線在地表處的交點。

3 結果分析

各工況下的沉降量隨時間的變化如圖4所示，由圖4（a）和（c）可知降雨工況下，原狀路基的沉降量要遠大于重塑路基的沉降量。這是因為原狀黃土內(nèi)部結構疏松且骨架孔隙大、濕陷性強，在浸水情況下會產(chǎn)生更大的沉降量，表現(xiàn)出較強的濕陷性［18］。故在工程施工時做好防、排水措施，避免高填方路基產(chǎn)生過量沉降。

由圖4（b）和（d）可知自然條件下的路基沉降速率較慢，因此導致其工后沉降量相應較大，其中原狀路基的沉降速率約為壓實路基的11%，其工后沉降量更是占了總沉降量的90%以上。故在施工時應采取夯實措施來避免原狀土施工，同時也應采用一些加固措施，加快其沉降速率，減少其工后沉降量。

由圖4可知，排水帶間距小的曲線位于較大的上方，不鋪設排水帶的曲線位于最下方，這說明鋪設排水帶能夠加快其路基的沉降速率，其效果隨排水帶間距的增大而減弱。并且由圖4（a）、4（c）、4（d）可知，當排水帶間距由8.0 m縮短到2.0 m時，其加速路基固結沉降的效果越來越好，再縮短排水帶間距其效果變化不大。說明當間距為2.0 m時其改善效果已趨于穩(wěn)定，再縮短間距其改善效果得不到較大提升反而會增加工程量。然而由圖4（b）可知，該工況下整體沉降速率較為緩慢，這是因為該工況下的滲透系數(shù)較小，其固結沉降速率也相應減小。這與劉忠玉等［19］指出的滲透系性會明顯影響孔壓的消散速率和沉降速率的規(guī)律相符。

由表6可知，當排水帶間距為0.5 m時，在自然條件下，原狀路基和重塑路基工后沉降量分別降低了70%、82%，在降雨工況下，其工后沉降量均減少了約91%；當間距設為1.0 m時，自然條件下原狀、重塑路基工后沉降減少量分別降至45%、77%，降雨工況下均降至81%左右；當間距再增大為2.0 m時，加速效果明顯下降，其自然條件下的原狀、重塑路基和降雨條件下的原狀、重塑路基的工后沉降減少量分別至17%、67%、69%、71%；當間距增大至4.0 m、8.0 m時，各工況下的工后沉降減少量均低于50%。綜上所述，間距為2.0 m時，排水帶改善黃土路基的效果已達穩(wěn)定，且相較于間距為0.5 m的效果，除自然條件下原狀路基工后沉降量降低了50%以外，其他工況下的效果均降低了20%左右，但其排水帶的工程量卻是0.5 m間距時的1/16。故選取2.0 m間距既能達到良好的加速效果又能夠較大減少工程量，降低工程造價。

4 結論

①在降雨工況下，原狀路基的沉降量要明顯高于重塑路基的沉降量，自然工況下兩者沉降量相差不大，因此在工程施工時需做好防、排水措施，避免路基產(chǎn)生過大沉降。

②在自然條件下，原狀、重塑路基的沉降速率均較小，其中原狀路基最嚴重，由其導致的工后沉降量甚至占據(jù)總沉降量的90%以上，故施工時應采用夯實措施來加固路基，避免使用原狀黃土填筑，同時還應采用一定的排水措施來加速路基固結沉降。

③鋪設排水帶能明顯加快其路基的沉降速率，其效果隨著排水帶間距的縮短而增強，當其間距縮短為2.0 m時，排水帶改善黃土路基的效果已達穩(wěn)定。綜合考慮其經(jīng)濟效益和工程情況，建議該黃土路基工程的排水帶間距選擇2.0 m。

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