填筑速率对高等级公路加宽工程路基变形影响的数值分析

李洪峰

(东北林业大学，哈尔滨，150040)

我国公路交通事业发展中存在着一个将现有公路进行改造扩建的艰巨任务［1］。在高等级公路加宽工程中，新路基与旧路基搭接，新旧路基土相互影响，新填路基以边载的形式出现，填筑速率决定了地基和新旧路基的变形速率和变形情况。大量的实测资料和室内试验研究发现，加载速率与土体变形速率之间是相关联的，加载速率的改变必然影响土体变形速率［2－13］。由于土体物理力学性质的不同，这种相互关联的关系有时存在一定的滞后性。目前关于岩土材料时间效应的研究多是针对同一材料开展的，如岩石、砂土、砾石、软黏土等，而有关公路加宽工程中新旧路基不同物理力学性质的岩土材料时间效应的研究却不多。

笔者依托同三高速公路方正—哈尔滨段公路扩建项目，对新填路基不同填筑速率的路基变形进行了数值分析，研究了填筑速率对路基变形的影响规律。

1 工程概况

同三高速公路方正—哈尔滨段公路扩建项目采用的设计速度为100 km/h，旧路基宽度为13 m，边坡为1∶1.5。在路线前进方向旧路左侧加宽11.5 m，边坡仍采用 1 ∶1.5，行车道宽度为 2×7.5 m，硬路肩宽为2×2.75 m，土路肩宽为 2×0.75 m，中央分隔带宽为1.5 m，路缘带为2×0.5 m。路面采用沥青混凝土，路面结构层总厚度为65 cm。

选用K541+400断面为研究对象，此断面旧路基填筑土上部为红褐色、密实的大部分风化砂和少部分黏性土组成;地基土中上层为灰褐色，具有可塑性、中等压缩性的粉质黏土，层厚为1.30～2.60 m;下层为灰褐色、饱和、中等密实的中砂，其厚度未揭穿;地面以下7.20 m初见地下水。地质情况见图1。

2 模型建立

土的本构关系具有非线性，土的变形既有弹性变形，又有塑性变形［14］。为了使加宽路基不同填筑速率的变形计算与分析更接近工程实际情况，选用PlaxisV8有限单元分析软件，使用精度较高、适应能力较强的15节点三角形单元进行结构的离散化。以室内试验和试验路段现场监测数据为参照，根据路基材料的物理力学性质、施工工艺等，采用描述岩土行为的一种一阶近似的Mohr－Coulomb本构模型，确定了与现场一致的材料的参数，几何模型应用全宽断面尺寸。结合工程实际和分析目的，根据台阶开挖方式、地基中各土层分布、土工格栅设置和地下水位等条件，确定了几何分析模型。为了减少边界条件对计算结果的影响，从填筑路基坡脚处分别向外扩展20 m，作为横向位移边界条件。竖向深度根据地质资料，在砂土层下取20 m。计算几何模型、边界条件的选取、单元网格划分如图2所示。

图1 K541+400断面地质勘察剖面图

图2 K541+400断面路基单元网格的划分及边界条件的选取

3 新填路基土不同填筑速率工况数值模拟

在高等级公路加宽工程中，地基土和旧路基土的变形受到新填路基土填筑速率的影响。笔者设计了不同填筑速率的工况数值模拟，研究填筑速率对路基的总变形和差异沉降的影响，探求不同填筑速率下的路基变形规律。数值模拟方案如下:

地质状况和填土材料与哈同公路K541+400断面相同，不间断施工，在填土高度、台阶开挖等均保持与实际施工一致的基础上，按照10、20、30 cm/d填筑速率进行施工。施工加载过程即各阶段的填土高度，在有限元计算中依此进行加载过程模拟，在几何图形中进行填土层划分并冻结，在计算程序中逐一激活冻结层，并在计算程序中选用分步施工，施工步长根据各阶段实际所用时间确定。

4 填筑速率对路基变形影响数值分析

4.1 填筑速率对竖向变形的影响

竖向变形计算结果见表1和表2。总体看来，填筑速率对路基竖向变形有一定影响，在相同的时间段内，随着填筑速率的变化，竖向变形在路基和地基内发生的范围和量值有所变化，但变化幅度较小。主要原因是填筑高度一致，尽管填筑速率变化，但加载量没有变化，新填路基作用在地基中的附加应力不变，地基土抗剪强度又较大，时间效应对旧路基和地基的影响不明显。

从表1中不同填筑速率下加宽后路基表面各位置竖向变形计算值可以看出，加宽后路基表面竖向变形在新填路基一侧是随着填筑速率的增大而逐渐增大，但增量较小，在旧路基一侧竖向变形基本没有变化。从表2可以看出，新填路基路肩处总沉降是随着填筑速率的增大而逐步增大，但沉降量和填筑速率并不呈线性关系，表现出一定的非线性关系。在填筑速率从10 cm/d增至20 cm/d时，沉降增长较快;填筑速率从20 cm/d增至30 cm/d时，沉降增长相对较慢。同时还可以看出，相同时间内，填筑速率越大，竣工时沉降越小，而工后沉降和路基顶面差异沉降越大。主要原因是路基填筑速率大，施工期就短，荷载较早地作用于地基及先填筑路基部分，加快了初始阶段的沉降。它与填筑速率小的修筑路基方式相比，施工期较短，沉降相对比较小，一部分沉降在竣工后完成;对于填土高度一定的路基填筑速率越大，在施工期间土体压缩时间越短，工后沉降越大。

表1 不同填筑速率下加宽后路基表面和新填路基坡脚外地基表面竖向变形计算结果

表2 不同填筑速率路基主要观察点沉降计算结果

从表1中不同填筑速率下新填路基坡脚外地基表面竖向变形计算值可以看出，随着填筑速率的增大，靠近新填路基坡脚处的地基沉降量逐渐减小，远离路基坡脚处的沉降量几乎没变化。这主要是因为加载速率的增大导致较大荷载较早地作用在地基上，新填路基坡脚处侧向变形发展迅速，使得靠近坡脚处的地基有坡脚鼓起的趋势，所以在坡脚附近填筑速率越大，竖向变形越小。

4.2 填筑速率对侧向变形的影响

从表3侧向变形计算结果可以看出，填筑速率的变化对路基及地基的侧向变形影响的规律一致，但对变形大小影响不明显。

表3 不同填筑速率下旧路肩处不同深度和新填路基坡脚处不同深度侧向变形计算结果

旧路基路肩处不同深度侧向变形计算结果显示，以深度大约7 m为界，0～7 m与7 m以下土体侧向变形方向相反，且在深度9、11、16 m处变形规律发生突变，其主要原因是这3个深度为不同土质土层交界处，因在建立有限单元模型时材料参数的改变，导致不同土层变形规律发生改变。7～16 m深度处的侧向变形朝向旧路基一侧，7 m以上侧向变形朝向新填路基一侧，其主要原因是新填筑路基土对旧路基和地基施加了附加应力，导致旧路基路肩下地基土发生侧向变形。同时，新填路基土对旧路基施加了主动土压力，旧路基底部发生朝向旧路基一侧的侧向变形。而上部新路基土尚未填筑时，开挖后旧路基上部没有土压力;由于旧路基下部土体受到挤压，使得旧路基上部土体朝开挖方向发生侧向变形。从新填路基坡脚处地基不同深度侧向变形计算结果可以看出，在2、7 m深度处变形特征发生改变，主要原因是这两处为土层性质发生改变的交界处，新填路基土对地基的附加应力随着深度增加逐渐减小，加之地基土体是随着深度增加抗剪强度逐渐增大，而泊松比逐渐减小，导致在上部的侧向变形比下部侧向变形大，且差距明显。随着填筑速率的增大，侧向变形也增大，填筑速率对地基上部侧向变形的影响大于地基下部。

5 结论

从总的规律来看，填筑速率越大，工后沉降、差异沉降和新填路基一侧的侧向变形越大。实际工程施工中，在保证工期的同时要合理控制填筑速率，从而减少由于填筑过快导致的变形问题。

在填土高度不变的前提下填筑速率的变化没有改变总的加载量，竣工时新填路基作用在地基中的附加应力不变，时间效应是影响变形的主要因素。

填筑速率越大，荷载越早作用于地基，与填筑速率小的路基相比，施工期越短。尽管初始阶段的沉降速率较大，但竣工时沉降相对比较小，一部分沉降在填筑结束后完成，工后沉降大，路面差异沉降也大。

随着填筑速率的增大，相同时间内荷载增量越大，侧向变形量也越大，且对地基浅层影响较大。如果浅层地基土质较软，新填路基坡脚处侧向变形发展迅速，靠近坡脚处的地基甚至有坡脚鼓起的趋势。

［1］于凤河，张永明，宋金华，等.道路改扩建工程设计与施工技术［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］李永盛.加载速率对红砂岩力学效应的试验研究［J］.同济大学学报，1995，23(3):265－269.

［3］Cho S H，Ogata Y J，Kaneko K.Study on the Strain-rate dependency of the dynamic tensile strength of rock［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2003，40(5):763－777.

［4］Mahmutoˇglu Y.The effects of strain rate and saturation on a microcracked marble ［J］.Engineering Geology，2006，82(3):137－144.

［5］李建中，徐力生.低含水量黏土的加载速率效应与蠕变变形［J］.煤田地质与勘探，2008，36(1):41－44.

［6］唐寻.控制加荷速率减少地基沉降的研究［J］.路基工程，2007，131(2):98－99.

［7］王军，杨芳，吴延平，等.初始剪应力与加荷速率共同作用下饱和软黏土孔压模型试验研究［J］.岩土力学，2011，32(增1):111－117.

［8］彭芳乐，李福林，李建中，等.加载速率变化条件下砂土的黏塑特性及本构模型［J］.岩石力学与工程学报，2008，27(8):1576－1585.

［9］胡铁权.同三线宁波试验段软基路堤沉降规律及填筑加载速率控制［J］.公路，2003(4):84－89.

［10］杨仕教，曾晟，王和龙.加载速率对石灰岩力学效应的试验研究［J］.岩土工程学报2005，27(7):786－788.

［11］陈勉，张艳，金衍，等.加载速率对不同岩性岩石 Kaiser效应影响的试验研究［J］.岩石力学与工程学报，2009，28(增1):2599－2604.

［12］李长冬，唐辉明，胡新丽，等.岩石相似材料变形与强度特性及数值模拟研究［J］.地质科技情报，2008，27(6):98－101.

［13］纪文栋，杨春和，姚院峰，等.应变加载速率对盐岩力学性能的影响［J］.岩石力学与工程学报，2011，30(12):2507－2513.

［14］钱家欢，殷宗泽.土工原理与计算［M］.北京:中国水利水电出版社，2004.