一種新分塊填筑施工法對軟土路基的沉降影響

摘 要：為解決軟土地基具有較高的壓縮性，孔隙水壓力消散慢，地基穩(wěn)定性差問題，基于反壓護(hù)道原理，提出一種新的填筑施工方法 — —分塊填筑法。通過有限元分析對比分塊、傳統(tǒng)分層2種填筑方式在路基路面的豎向沉降、水平位移、孔隙壓力等方面的差異，并分析分塊垛尺寸對路基頂面豎向位移的影響。研究表明，分塊填筑能夠有效減小路基頂面最大沉降值，分塊垛越高、越寬路基頂面的豎向位移越??；分塊填筑法對于路基頂面的水平位移影響不大，但能有效減小坡腳下方的水平位移、豎向位移以及孔隙壓力。

關(guān)鍵詞：路基填筑；軟土路基；反壓護(hù)道；分塊填筑

中圖分類號：TQ172.4 + 2；U416G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2024）11-0159-04

The effect of a new block filling construction methodon the settlement of soft soil subgrade

LEI Niming 1 ，GUO Cheng 1 ，LIN Han 1 ，QUE Yun 2 ，DENG Zeting 1 ，YANG Feng 3

（1. Huadong Engineering（Fu Jian）Corporation Limted Co.，Ltd.，F(xiàn)uzhou 350003，China；2. Fuzhou University，F(xiàn)uzhou 350116，China；3. Fujian Universtiy Of Technology，F(xiàn)uzhou 350108，China）

Abstract：In order to solve the problems of high compressibility，slow dissipation of pore water pressure and poorstability of soft soil foundation，a new filling construction method was proposed，which was based on the principle ofbackpressure protection. The differences in vertical settlement，horizontal displacement and pore pressure of theroadbed pavement between the two filling methods of split block and conventional layering were investigated by thefinite element software ABAQUS，and the influence of the size of the split stack on the vertical displacement of thetop surface of the roadbed was further analyzed. The results showed that block filling could effectively reduce themaximum settlement value of the top surface of the roadbed，and the higher and wider the block stack，the smallerthe vertical displacement of the top surface of the roadbed. The block filling method had little effect on the horizon?tal displacement of the top surface of the roadbed，but it could effectively reduce the horizontal displacement belowthe foot of the slope，the vertical displacement and the pore pressure.

Keywords：roadbed filling；soft soil roadbed；back pressure road protection；block filling

隨著沿海城市經(jīng)濟(jì)日益發(fā)展，為滿足交通需求，公路需要不斷的新建與擴(kuò)建，其中有部分公路建設(shè)需要位于軟土地基之上。軟土地基具有較高的壓縮性，孔隙水壓力消散慢，地基穩(wěn)定性差等特點(diǎn)。在軟土上填筑路基，若處理不當(dāng)會產(chǎn)生路基路面開裂、滑移失穩(wěn)等病害，影響施工進(jìn)度及增加加固費(fèi)用。當(dāng)前國內(nèi)外學(xué)者對如何減少軟土地區(qū)路基路面沉降有大量研究，雖然地基處理與輕質(zhì)填料可減少軟土路堤沉降，但由于軟基的復(fù)雜性，有效減少路基沉降仍顯困難。實(shí)際上，現(xiàn)有路堤填筑多是采用分層填筑，如若能從施工順序上進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)而減少路基沉降，將為減少工后沉降提供一種新思路。

鑒于此，本文基于反壓護(hù)道原理，提出一種新的填筑施工方法 — —分塊填筑法。通過有限元軟件建立軟土地基模型，對比傳統(tǒng)水平分層填筑與分塊填筑后路基的變形，并進(jìn)一步研究分塊垛對路面路基頂面沉降的影響。

1 試驗(yàn)方法

1. 1 分塊填筑及有限元模型建立

1. 1. 1 分塊填筑

分塊填筑根據(jù)反壓護(hù)道理論提出，對路基進(jìn)行分塊填筑，先填筑分塊垛后填筑其余部分。分塊垛的自重可改變軟基的應(yīng)力狀態(tài)，使間隙軟土發(fā)生固結(jié)，提高了間隙土的強(qiáng)度，且分塊垛能夠承擔(dān)一部分剩余填土的壓力，可以有效的減少路基路面的變形。

1. 1. 2 模型假設(shè)條件

（1）路堤填土采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型（MC），地基本構(gòu)采用修正劍橋模型（MCC）進(jìn)行模擬；

（2）路基填筑按平面應(yīng)變問題考慮，進(jìn)行二維有限元分析；

（3）路面荷載等效為1 m高的填土，車載等效為10 kPa的均布荷載作用于路基頂面；

（4）路基填筑速率為1 m/月，固結(jié)速率為1 m/月。

1. 1. 3 模型建立及網(wǎng)格劃分

設(shè)公路路基寬度為23 m，填筑高度為4 m，其中1 m為路面等效荷載?？紤]邊界效應(yīng)的影響，地基長度設(shè)為80 m，路基邊坡比為1∶1.5，考慮排水固結(jié)。本模型地下水位位于地基表面，頂面自由排水，軟土下層為不透水基巖。限制模型左右兩側(cè)的水平和豎向位移，模型底部為固定約束，路基部分不設(shè)約束 [1-2] 。

地基采用孔隙流體/應(yīng)力單元CPE4P，路基填土有限元網(wǎng)格采用平面應(yīng)變減縮積分單元CPE4R，網(wǎng)格均以四邊形為主。有限元計(jì)算模型如圖1所示。

1. 1. 4 模型計(jì)算參數(shù)

計(jì)算中地基為正常固結(jié)飽和軟土，填土與地基土重度分別為20、18 kN/m 3 。地基與路基的土層計(jì)算參數(shù)如表1所示，其中， c 為粘聚力； φ 為內(nèi)摩擦角；Ψ 為剪脹角； ν 為泊松比； E 為壓縮模量； κ 為體積模量的對數(shù)； λ 為塑性體積模量對數(shù)； k 滲透系數(shù)； M為應(yīng)力比； e 為孔隙比。

1. 2 2種填筑方式對比

1. 2. 1 路基頂面沉降

運(yùn)用有限元軟件分別模擬水平分層填筑、分塊填筑（分塊垛高度為2 m，頂面寬度4 m）2種不同的填筑施工方法。路基沉降云圖會顯示沉降等值區(qū)域呈U型，豎向沉降的最大值從模型左到右呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，竣工后10年的路基的豎向沉降以路基中線為軸呈對稱分布 [3-4] 。

水平分層填筑與分塊填筑的路基頂面豎向沉降曲線，如圖2所示。

由圖2可見，分析得出沉降曲線呈碗型分布，路面從左到右呈現(xiàn)先增大后減少的趨勢。分塊填筑相比于水平分層填筑更加的平緩，最大值沉降值可減少35.7%。

1. 2. 2 路基頂面水平位移

圖3為路基頂面的水平位移。

由圖3可見，水平分層填筑與分層填筑在路基頂面的水平位移相差不大，以路基頂面中點(diǎn)分別向道路兩側(cè)移動。

1. 2. 3 坡腳下方水平位移

圖4為竣工后10年路基坡腳下方水平位移隨地基深度變化曲線。

由圖4可見，隨著離地表深度的增加水平位移先增大后減小，在5 m處水平位移達(dá)到最大值，后隨著深度的增加水平位移逐漸減小為0 [7-8] 。相比于水平分層填筑，分塊填筑能夠有效減小坡腳下方的水平位移，最大可達(dá)9%。

1. 2. 4 坡腳下方孔隙壓力

圖5為路基坡腳下方的孔隙壓力隨深度的變化曲線。

由圖5可見，坡腳下方的孔隙壓力隨深度的增加而增大，隨著時間的增加在2年孔隙壓力逐漸消散。

分層填筑和分塊填筑在2年后孔隙壓力都接近于0。

與水平分層填筑的孔隙壓力相比，分塊填筑施工后1、2月最大空隙壓力分別減小26.2%、22.3%。半年后2種填筑方式坡腳下方的孔隙壓力基本相同 [9-10] 。

1. 2. 5 坡腳處豎向位移

圖6為路基坡腳處豎向位移隨時間的變化曲線。

由圖6可見，在施工期間坡腳處分塊填筑的沉降速率比分層填筑低，且沉降值更小，同時期豎向位移可減少35.5%。坡腳處的豎向位移在2年后達(dá)到最大沉降值，2種填筑方式最終沉降值基本相同 [11-12] 。

2 結(jié)果與分析

為分析分塊垛對路基頂面沉降的影響，模擬路基填筑高度分別為3、4 m 這2種工況。同時每種工況設(shè)置不同的分塊垛高度分別為1、2、3 m，并改變反壓垛寬度，研究路基頂面沉降值。填筑高度為3 m時不同分塊垛的路基頂面沉降，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可見，分塊垛高度對路基頂面得沉降影響很大，增加分塊垛高度，路基頂面的豎向位移減小 [13-14] 。當(dāng)分塊垛高度為1m時，改變分塊垛寬度影響不大。分塊垛高度為2 m時，分塊垛寬度越寬沉降值越小，與傳統(tǒng)水平分層填筑最大沉降值相比可減小9.8%。而3 m高分塊垛相比于傳統(tǒng)分層填筑最大沉降值可減少19.5%。

填筑高度為4 m不同高度分塊垛對路基頂面沉降的影響，如圖8所示。

由圖8可見，路基頂面的沉降隨分塊垛的高度增加而減少，當(dāng)分塊垛高度為1 m時，改變分塊垛寬度對沉降值影響不大。當(dāng)分塊垛為2 m時與傳統(tǒng)分層填筑相比路基頂面最大沉降值可減少5.2%。當(dāng)分塊垛高度為3 m時，相比于傳統(tǒng)分層填筑可減少46.5% [15-16] 。

綜上，當(dāng)分塊垛高度與填筑高度同高，且分塊垛底面寬度為路基底面寬度1/2時，能最大程度減小路基頂面沉降值。

3 結(jié)語

（1）相比水平分層填筑，分塊填筑能有效降低路基頂面的沉降，當(dāng)填筑高度為3、4 m時，路基頂面最大沉降值分別減少19.5%、46.5%。路基填筑高度越高，分塊填筑對減少路基不均勻沉降的優(yōu)勢越明顯；

（2）分塊填筑路基頂面的水平位移更小，且由路基中點(diǎn)向兩邊移動。2種填筑方式在坡腳下方的水平位移均呈先增大后減小的趨勢，且分塊填筑施工能減小坡腳下方的水平位移最大值為9%。施工階段分塊填筑坡腳處的豎向位移比傳統(tǒng)填筑方式小，豎向位移最大可減少35.5% [17-18] ；

（3）施工階段分塊填筑坡腳下方的孔隙壓力在比分層填筑的最大值小26.2%，2年后2種填筑方式的孔隙壓力基本消散；

（4）分塊垛越高、越寬路基頂面的豎向位移越小，當(dāng)分塊垛高度與路基填筑同高，且分塊垛底面寬度為路基底面寬度一半時，其路基頂面沉降值最小。

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