粉煤灰路堤与常规路堤变形规律对比分析

2013-08-20李广

山西建筑 2013年29期

李广

(1.长沙理工大学交通运输学院，湖南长沙 410000; 2.国家级浏阳经济技术开发区开发投资有限公司，湖南长沙 410329)

软土地基［1，2］天然含水量高、孔隙比大，具有承载力低、压缩性高、抵抗剪切变形能力差等特点。软基路堤沉降变形及其规律在软基处治设计中占有十分重要的地位，至今仍是软基路堤研究需解决的关键问题。目前公路常用粉煤灰和粘性土作为软基的填筑材料，掌握不同筑路材料下软基变形规律是地基沉降变形的重要内容，也是决定软基是否需要处理的重要步骤。

1 理论分析方法

有限元法(Biot法)［3］计算中地基和结构作为一个整体来分析，将其划分网格，形成离散体结构，在荷载作用下算得任意时刻地基和结构各点的位移和应力。本文利用有限元法求解比奥固结方程，避免了一维固结计算的许多弊端。比奥固结理论的有限单元法公式为:

{δ}——单元的结点位移;

［K′］——单元结点孔隙压力所对应的那部分结点力;

{β}——单元的结点超孔隙压力;

{R}——结点的荷载向量;

以上比奥固结理论的有限单元法公式，可以方便的编入有限元程序中进行电算求解。

2 理论计算结果

为讨论不同填筑材料对软基沉降变形规律的影响，粉煤灰参数选用粉煤灰室内实验的结果。计算时路堤荷载分级加载，施工结束后我们分别考虑了3月，6月，12月，24月，36月，120月，240月。理论计算选取的土层计算参数见表1。

表1 理论模型计算参数

本文分别计算了路堤顶面宽度为30m时，软基厚度20m，路堤高度为2m，5m，7m时填料路堤沉降变形规律，路堤的边坡坡比均为1∶1.5。计算结果见表2，表3，计算所得的沉降和位移曲线分别见图1，图2。根据以上的计算结果表明:粘性土路堤的沉降变形规律基本和粉煤灰路堤一致。根据图1显示，在软基深度为20m时，其中心点的竖向变形大于路基两侧，呈一盆状沉降形式。但由于粘性土路堤的自重荷载比粉煤灰大1.6倍，所以在同一高度下，粘性土路堤的竖向变形和水平位移均比粉煤灰路堤大很多。由图2看出，粘性土路堤高度分别为2m，5m，7m时，计算的竖向变形分别是粉煤灰路堤的1.65倍，1.86倍，1.99倍，说明路堤越高，粘性土路堤与粉煤灰路堤竖向变形之比就越大。

从表3的计算结果上看出，由于路堤荷载的增加，地基中的大主应力、小主应力、剪应力和应力水平都高于同等情况下的粉煤灰路堤。根据图2不同高度粘性土路堤的固结过程曲线看出，粘性土路堤高度越大，其后期沉降越大，达到一定工后沉降所需的时间就越长。

表2 不同路堤高度粘土填料中心点沉降变形结果汇总(软基深度20m) cm

表3 粉煤灰路堤与常规路堤中心地基土计算结果

图1 粘性土路堤的固结过程地表沉降变形曲线（路堤高7m）

图2 不同高度粘性土路堤的固结过程曲线

3 工程实例分析

湖南某高速软基段在路堤填筑高度较大的地段采用了粉煤灰路堤形式，粉煤灰路段桩号为:K20+125～K20+835和K22+032～K22+193两段，其观测点主要有:K20+520，K22+098。这些观测点处各层土的力学参数见表4。

表4 各层土力学参数简表

根据以上土层参数，我们分别利用二维比奥固结有限元法计算了粉煤灰路堤和同等高度粘性土路堤的沉降情况和最终沉降量。并根据现场实际观测结果，利用双曲线法计算了粉煤灰路堤的最终沉降量。计算结果分别见表5和图3，图4。

表5 粉煤灰路段的计算结果分析

图3 K20+520断面沉降变形计算结果

图4 K22+098断面沉降变形计算结果

根据以上各点计算结果可以看出，粉煤灰路堤的实际沉降和计算沉降都比同高度常规粘性土路堤低得多，同上节的计算分析结果类似，两个断面粉煤灰路堤沉降分别只有粘性土路堤沉降的0.50倍，0.55倍。由于粉煤灰路堤最终沉降量小，固结变形发展较快，有利于减小路堤的工后沉降。同时，由于粉煤灰路堤的自重轻，在地基中产生的附加应力小，在同一地点，粉煤灰路堤的极限填筑高度将大于常规路堤，粉煤灰填筑路堤还可以减少由于路堤沉降而造成的后期补载工作量。