黃土地區(qū)高填路基工后沉降的影響因素研究

摘 要：為研究某黃土地區(qū)高填路基沉降的影響因素及規(guī)律，本文結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，采用FLAC 3D軟件有限元軟件分析了路基施工過(guò)程、壓實(shí)度、CFG樁的位置參數(shù)以及尺寸參數(shù)對(duì)路基沉降變形的影響。研究結(jié)果表明，黃土含水率與試樣壓縮模量負(fù)相關(guān)，黃土壓實(shí)度與試樣壓縮模量正相關(guān)，隨著施工進(jìn)度推進(jìn)，填土高度不斷增加，導(dǎo)致路基沉降量不斷變大，CFG樁的位置參數(shù)及尺寸參數(shù)均對(duì)路基頂面沉降量有影響，路基頂面沉降量隨尺寸參數(shù)增加逐漸減少，隨位置參數(shù)增加不斷增加，尺寸參數(shù)的影響效果大于位置參數(shù)。

關(guān)鍵詞：黃土地區(qū)；高填路基；沉降影響因素；FLAC 3D

中圖分類號(hào)：U 416" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

黃土作為典型土質(zhì)，具有多孔、易壓縮以及濕陷性等特點(diǎn)，因此黃土地區(qū)常出現(xiàn)路基不均勻沉降、邊坡失穩(wěn)等問(wèn)題。路基不均勻沉降嚴(yán)重危害行車安全，縮短道路使用壽命[1]。為制定合理、經(jīng)濟(jì)的防治措施，須對(duì)黃土地區(qū)路基不均勻沉降的影響因素進(jìn)行分析。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)路基不均勻沉降的機(jī)理及影響因素進(jìn)行一系列研究，張雪強(qiáng)[2]總結(jié)了濕陷性黃土的物理力學(xué)特征，明確了黃土地區(qū)路基路面常見病害。王文娟[3]基于PLAXIS軟件建立有限元模型，研究了坡度及填高對(duì)路基不均勻沉降的影響。徐益山等[4]探討了填土含水率、邊坡坡度等對(duì)路基沉降的影響規(guī)律。陳想明[5]基于ABAQUS軟件，分析了CFG樁的樁長(zhǎng)、樁徑及樁間距對(duì)黃土路基沉降變形的影響。方琨[6]分析了不同條件下黃土路基頂面沉降的變形規(guī)律。綜上所述，路基坡度、路基填高、土體物理力學(xué)性質(zhì)等因素均對(duì)路基不均勻沉降有影響，但對(duì)黃土地區(qū)不同壓實(shí)度條件下高填土路基的研究較少。

基于此，本文以某黃土地區(qū)高填土路基為研究對(duì)象，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，利用FLAC 3D有限元軟件，分析施工過(guò)程、壓實(shí)度、CFG樁的位置參數(shù)以及尺寸參數(shù)對(duì)路基沉降變形的影響。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

本文以某黃土地區(qū)高填土路基為研究對(duì)象，路基邊坡為三級(jí)邊坡，坡率從上到下分別為1∶1.5、1∶1.75、1∶2.0，每級(jí)路基高度從上到下分別為5 m、10 m、10 m，每級(jí)平臺(tái)寬度從上到下為2 m、3 m，路基總高度為25 m，路基頂面寬度為24 m，施工時(shí)采用分層（5m）鋪填及壓實(shí)的方法。

采集現(xiàn)場(chǎng)黃土，并通過(guò)室內(nèi)基本物理試驗(yàn)得到的相關(guān)指標(biāo)參數(shù)，見表1。

黃土的沉降變形與其壓縮特性及濕陷性密不可分，制備成直徑79.8 mm、高為20 mm的試樣，試樣設(shè)置5種壓實(shí)度（85%、90%、93%、95%、98%）及6種含水率（7.5%、9.5%、11.5%、13%、15%、17%），按照規(guī)范對(duì)試樣進(jìn)行單軸固結(jié)試驗(yàn)，得到不同含水率試樣的壓縮模量，如圖1所示。

由圖1可知，壓縮模量與壓實(shí)度呈正相關(guān)，壓縮模量與含水率呈負(fù)相關(guān)。壓實(shí)度從85%增至98%，6種含水率的壓縮模量變化大小為＞120.4%（含水率為17%）＞110.3%（含水率為9.5%）＞95.8%（含水率為7.5%）＞91.9%（含水率為11.5%）＞84.7%（含水率為15%）＞55%（含水率為13%）。當(dāng)含水率從13%增至17%時(shí)，壓縮模量的變化率從55%增至120.4%，當(dāng)含水率從7.5%增至11.5%時(shí)，壓縮模量的變化率從95.8%降至91.9%，說(shuō)明含水率越大，壓縮模量對(duì)壓實(shí)度越敏感，驗(yàn)證了黃土的經(jīng)水浸泡后塌陷的性質(zhì)。當(dāng)含水率從7.5%增至17%時(shí)，5種壓實(shí)度的壓縮模量變化大小為128.1%（壓實(shí)度為90%）＞111.1%（壓實(shí)度為93%）＞83.3%（壓實(shí)度為85%）＞77.7%（壓實(shí)度為95%）＞71.4%（壓實(shí)度為98%），說(shuō)明黃土的壓縮模量與壓實(shí)度整體上呈正相關(guān)。

將原狀土用環(huán)刀切成3塊試樣，并利用過(guò) 5mm 篩分土制備含水率為13%、干密度為1.2 g/cm3（試樣A）、含水率為13%、干密度分別為1.4 g/cm3（試樣B）及1.7 g/cm3（試樣C）試樣各3塊。利用側(cè)限固結(jié)儀記錄50 kPa、100 kPa、

200 kPa、300 kPa、400 kPa、500 kPa、600 kPa、700 kPa、800 kPa荷載下試樣的變形。并按照公式（1）計(jì)算黃土的濕陷系數(shù)，繪制濕陷系數(shù)隨壓力變化曲線，如圖2所示。

式中：δs為濕陷系數(shù)，%；h0為試樣的原始高度，20 mm；hp為試樣在荷載作用下穩(wěn)定后的高度，mm；h'p為試樣穩(wěn)定后浸水穩(wěn)定高度，mm。

由圖2可知，重塑土的濕陷系數(shù)較原狀土明顯增加。隨著含水率增加，濕陷系數(shù)急劇降低。試樣A、試樣B的濕陷系數(shù)隨壓力增加逐漸變大，在壓力增至某個(gè)值后，濕陷系數(shù)逐漸變小。

在相同含水率條件下，干密度（壓實(shí)度）影響路基土的濕陷性，在相同壓實(shí)度下，含水率也影響路基土的壓縮性。因此在實(shí)際施工過(guò)程中，須嚴(yán)格控制填土的含水率及壓實(shí)度。

2 數(shù)值模擬研究

模型建立：圖3為利用FLAC 3D有限元軟件建立的某黃土地區(qū)高填土路基數(shù)值模型圖。在模型中，參照路基實(shí)際尺寸設(shè)置路基尺寸，地基高度為10 m，巖土層高度為50 m，寬度為150 m，CFG樁高為18 m，樁徑為0.5 m，樁間距為1.8 m。路基土壓實(shí)度取91%，含水率為13%，并分層（5 m）鋪填。

土層從上到下分別為路基土（粉狀黃土）、地基土（黃土）、巖土層，土體及CFG樁具體的物理力學(xué)參數(shù)見表2。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 施工過(guò)程對(duì)路基沉降的影響

該高填路基的施工過(guò)程采用分層（5 m）鋪填及壓實(shí)的方法，施工過(guò)程中填土高度－沉降－時(shí)間的關(guān)系演化規(guī)律如圖4所示。

由圖4可知，隨著施工的持續(xù)推進(jìn)，填土高度在不斷增加，當(dāng)施工35 d時(shí)，填土高度達(dá)到10 m，一級(jí)路基施工完成；當(dāng)施工85 d時(shí)，填土高度達(dá)到20 m，二級(jí)路基施工完成；當(dāng)施工185 d時(shí)，填土高度達(dá)到25 m，路基施工完成。各級(jí)路基沉降量隨施工進(jìn)度在不斷增加，各級(jí)路基最終沉降量由下方土體的累計(jì)沉降量及各級(jí)路基自身沉降組成，當(dāng)填土高度為10 m時(shí)，地基沉降量為12.6 cm；當(dāng)填土高度為20 m時(shí)，地基沉降量為26.5 cm，一級(jí)路基沉降量為13.5 cm；當(dāng)填土高度為25 m時(shí)，地基沉降量為30.5 cm，一級(jí)路基沉降量為19.7 cm，二級(jí)路基沉降量為9.5 cm。

3.2 壓實(shí)度對(duì)路基沉降的影響

壓實(shí)度對(duì)黃土路基不均勻沉降量的影響效果顯著，公路建設(shè)規(guī)范要求路基壓實(shí)度不小于90%，因此需要研究不同壓實(shí)度條件下路基的沉降變形規(guī)律，如圖5所示。

由圖5可知，路基最大沉降量隨壓實(shí)度增加逐漸減少。當(dāng)壓實(shí)度為90%時(shí)，最大沉降量為41.1 cm，當(dāng)壓實(shí)度為98%時(shí)，最大沉降量為15.7 cm，減少了61.8%。因此填土的物理力學(xué)性質(zhì)對(duì)路基最大沉降量影響效果顯著，可通過(guò)改變填土壓實(shí)度減少路基最大沉降量。

3.3 CFG樁尺寸參數(shù)對(duì)路基沉降的影響

當(dāng)樁間距為1.8 m時(shí)，CFG樁的樁徑設(shè)置為0.75 m及1 m，樁高為15 m、20 m、25 m。路基的對(duì)稱性影響路基頂面右側(cè)沉降量隨CFG樁的尺寸參數(shù)，其變化如圖6所示。

由圖6可知，距離中心線越遠(yuǎn)，頂面沉降量越少。隨著CFG樁樁徑增加，沉降量隨之減少，當(dāng)樁徑1 m時(shí)，對(duì)比3種樁長(zhǎng)的路基頂面中心點(diǎn)沉降量與樁徑0.75 m的沉降量，結(jié)果減少了11.8%（樁長(zhǎng)15 m）＞10.3%（樁長(zhǎng)20 m）＞7.4%（樁長(zhǎng)25 m），說(shuō)明CFG樁長(zhǎng)度越長(zhǎng)，樁徑對(duì)沉降量的影響越小，隨著CFG樁樁長(zhǎng)增加，沉降量隨之減少。

3.4 CFG樁位置參數(shù)對(duì)路基沉降的影響

將CFG樁的樁徑設(shè)置為0.75 m，樁高為15 m、20 m、25 m。分析當(dāng)樁間距為1.5 m、2 m時(shí)，路基頂面右側(cè)沉降量隨CFG樁的位置參數(shù)的變化，如圖7所示。

由圖7可知，頂面沉降量隨樁間距增加而增加，隨樁間距增加，3種樁長(zhǎng)路基頂面中心點(diǎn)沉降量增加了6.6%（樁長(zhǎng)25 m）＞5.8%（樁長(zhǎng)15 m）＞5.3%（樁長(zhǎng)20 m），說(shuō)明位置參數(shù)對(duì)沉降量的影響較小。

4 結(jié)論

本文以某黃土地區(qū)高填土路基為研究對(duì)象，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，利用FLAC 3D有限元軟件，分析施工過(guò)程、壓實(shí)度、CFG樁的位置參數(shù)及尺寸參數(shù)對(duì)路基沉降變形的影響，得到以下結(jié)論。1）壓實(shí)度增加能夠有效減少路基的最大沉降量，驗(yàn)證了高填路基在施工過(guò)程中嚴(yán)格控制填土壓實(shí)度的重要性。2）CFG樁的尺寸和位置參數(shù)對(duì)路基沉降也有明顯影響。隨著CFG樁樁徑和樁長(zhǎng)增加，路基沉降量顯著減少。3）樁間距增加會(huì)使沉降量增加，說(shuō)明合理設(shè)計(jì)CFG樁的尺寸參數(shù)可以有效控制路基沉降變形。研究結(jié)果表明，在黃土地區(qū)高填土路基施工中，應(yīng)綜合考慮填土的壓實(shí)度和CFG樁的尺寸及位置參數(shù)，才能有效降低不均勻沉降風(fēng)險(xiǎn)，提高路基的穩(wěn)定性和延長(zhǎng)道路的使用壽命。

參考文獻(xiàn)

[1]郭思越，羅政.高填方沉降防治施工技術(shù)研究[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2019（12）：106-107.

[2]張雪強(qiáng).濕陷性黃土地區(qū)路基路面病害處治技術(shù)[J].黑龍江交通科技，2020，43（3）：34-35.

[3]王文娟.復(fù)雜條件下濕陷性黃土路基不均勻沉降控制技術(shù)研究[J].工程技術(shù)研究，2023，8（16）：36-38.

[4]徐益山，莊前兵，徐鵬飛，等.黃土溝谷區(qū)高填方路基沉降特性及影響因素研究[J].公路交通技術(shù)，2023，39（5）：1-9.

[5]陳想明.西北地區(qū)黃土路基沉降變形分析及治理[J].路基工程，2023（4）：188-193.

[6]方琨.不同因素對(duì)黃土路基不均勻沉降的影響及穩(wěn)定性分析[J].西部交通科技，2023（2）：61-63，110.