基于堆填厚度及填筑速率的拓宽路基变形研究

2014-06-05卢业旭孙少锐

河北工程大学学报(自然科学版) 2014年2期

卢业旭，孙少锐

（河海大学地球科学与工程学院，江苏南京 210098）

在我国东南沿海地区，软土分布较广。在软土地基上修建高填方路基，路基的不均匀沉降是最常见的病害。一般认为，填筑速率与路基的工后沉降关系密切［1］，因此在工程实践中，对于路基的填筑速率有严格的规定，特别是对于高填方软土地基，对填筑速率的控制更为重要。国内对高填方路基和软土路基的填筑速率研究已初见成效［2－4］，但对于填筑厚度的相关研究并不多见。在路基加宽工程中，更应该注重工后沉降与不均匀沉降的问题［5－7］。本文所选工程为临水高吹填路堤结合工程，在国内尚无很成熟的研究经验，具有较高的科研价值。

本论文以南京滨江大道高等级道路拓宽工程为依托，结合变形等监测资料，对处治效果进行评价验证，建立了新老路堤拼接结构的有限元模型，施工过程中采用分层填土，对层厚10、20、30 cm的填土层分别进行计算，同时将填筑速率控制在0.5、1、2、3 m/月，对比分析路基的总沉降量、工后沉降和差异沉降，结合超静孔压的消散情况，提出一个合理的填筑速率以及填土层厚，对软基上的路基拓宽施工进行理论参考。

1 工程概况

南京市浦口滨江大道（浦口新城段）第二标段（标段桩号为 K10+000～K14+759.761）位于浦口区东侧，紧邻长江。工程所在地区主要为长江中下游冲积平原，软土广泛分布。根据勘察报告，场地地表出露及野外勘探深度90 m以内揭露有第四系人工填土层（Qme）和第四系全新统冲积层（Q4al）以及白垩系下统浦口组上段（K1p2）泥质粉砂岩、泥岩。按照不同的堆积、沉积环境特点和形成次序，由上往下大致分为四层:第一层为鱼塘、沟渠表层淤泥土和杂填土，整个场地分布，厚度为1.5～6.5 m;第二层为淤泥质粉质粘土～淤泥质粘土，层厚5.4～16.6 m;第三层为粉质粘土与粉土互层，其中粉质粘土以软塑状为主，局部可塑，厚度3.0～16.0 m;第四层为细砂加粉质粘土，层厚一般为10.0 ～20.0 m。

2 数值模拟分析

2.1 模型建立

本文运用有限元软件对南京浦口滨江大道试验段K11+500断面进行建模，模型如图1所示。计算中考虑到填土影响范围，模型取宽度为140.0 m，路堤下地基土取至深度35.0 m，路堤高度约5.0 m，路堤顶面宽度42.0 m，路堤下主要为吹填砂回填层、淤泥质粉质粘土层、粉质粘土与粉土互层和细砂夹粉质粘土层。路堤主要为吹填砂和路基填土组成，两侧扩宽部分下部软基采用排水板处理，双侧拓宽路基模型中排水板处理淤泥质土的厚度右侧约为7.0 m，左侧约为6.0m。同时取老路基下部粉质粘土层中A点，路基右侧排水板下部粉质粘土层中B点作为孔压的观测点，用以观测超静孔压的消散状况。模拟过程中通过填土层的加载间隔来控制填筑速率，同时在考虑不同的填土层厚的条件下进行路基填土，分析路基沉降以及孔压情况。

2.2 计算结果分析

2.2.1 模型合理性验证

特征断面实际施工的填土层厚为20 cm，由于位于滨江地区，受长江汛期与降水的影响，施工速率不能保持恒定;由于排水板的实际排水效果与模型中的排水效果有差异，导致在施工过程中的实测沉降数值与模型模拟所得数值不能很好地吻合。但在总的沉降量上二者基本保持一致，实测数据的竣工沉降量为1 238 mm，模型计算得到的竣工沉降量为1 245 mm，证明了数值模拟的合理性。表1列出了特征断面部分实测沉降数据。

表1 特征断面实测沉降数据Tab.1 The settlement data of characteristic section

表2 不同填土层厚与填筑速率下路基沉降表Tab.2 The settlement table of different dumping thickness and filling velocity

2.2.2 总沉降分析

针对特征断面，分别使用厚度10、20、30 cm的填土在 50、100、200、300 cm/月的填筑速率的条件下下对路基进行施工。

由表2可知:当填筑速率较小时，路基的竣工沉降量较大，而随着填筑速率的增加，软土中的超孔隙水压力随之增大，路基的竣工沉降量在减小，但是变化并不明显。由于排水板的处理深度达到15～16 m，而填土的影响范围主要位于这一层，因此超静孔压的消散较快，填筑速率的对竣工沉降量的影响相对小。

随着填土层厚的增加，在较低的填筑速率下竣工沉降量变化不大，但是随着填筑速率的增加，竣工沉降量差异开始凸显，同是在300 cm/月的填筑速率下，10 cm层厚填土的竣工沉降量为126 cm，30 cm层厚填土的竣工沉降量为124 cm，对需要严格控制的工后沉降影响比较明显。而填筑速率只影响路基的沉降过程，路基的最终沉降量取决于填土高度，因此填筑速率对路基的最终沉降量没有影响。

2.2.3 工后沉降以及差异沉降分析

设置新填路基左路肩为零点，在填土施工结束后直至超静孔压力消散为0这段时间里，路基顶面的各点的工后沉降如图2。

从图2可以得出以下结论:在当填土层厚相同时，填筑速率越快，工后沉降越大;填筑速率越低，工后沉降越小。因为在发生固结沉降过程中，孔隙水压的消散需要一定的时间，在竣工时孔压并没有完全消散，施工速率越快，由于固结时间不够，孔压的消散主要是在工后完成，因此最后的工后沉降就越大。

填筑速率相同时，当填土速率为200 cm/月和300 cm/月时，10 cm层厚产生的工后沉降最小，30 cm工后沉降最大;而当填土速率为50 cm/月和100 cm/月时，20 cm层厚填土的工后沉降最小。

对比相同层厚填土在不同填筑速率下的沉降，10 cm层厚填土50 cm/月的填筑速率下工后沉降最大值为1.80 cm，最小值为0.66 cm，工后差异沉降为1.14 cm。而在300 cm/月的填筑速率下，工后差异沉降则为4.54 cm。在30 cm层厚填土，300 cm/月的填筑速率下，工后差异沉降为4.87 cm。可见，随着填筑速率的增加，工后差异沉降越明显。较大的工后差异沉降不利于之后的路面施工，易引起路面开裂等情况，影响车辆正常行驶。

对比计算结果中12种曲线，在50、100 cm/月速率下各层厚的填筑方案最终产生的工后沉降都很小，其中20 cm层厚填土在100 cm/月的速率下的最终工后沉降最小，而30 cm层厚在300 cm/月速率下填筑后最终的工后沉降最大。

老路基经过多年运营，沉降已经比较稳定，而拓宽部位的新路基是在吹填砂的基础上进行施工，所以新路基的固结程度要低于老路基，所以新路基的沉降主要是在填土施工过程中完成。而在施工结束后，整个断面的沉降最大值出现在原老路范围内，最大工后沉降点近似出现在老路面的中线位置，路基右侧沉降差较小。主要是因为:在路基右侧下部排水条件较好，整个区域都有塑排水板，在施工期间，排水条件较好，在上部荷载作用下孔压能很快消散，沉降主要发生在施工过程中，最终这个区域工后沉降较小。在原老路区域，不设有排水板，下部土层为粉质粘土，透水性较差，从右边靠近老路位置虽然有排水板，但排水路径较长，孔压消散也很慢，在竣工后存在较大孔压，运营期由于孔压消散引起的工后沉降也较大。

2.2.4 超静孔隙水压力分析

孔隙水压力也是控制填筑速率的重要指标之一，由于孔压的消散只与填土速率有关，所以取10 cm层厚的填土模型的孔压消散情况作为参考。通过模型分析得知，超静孔压与填筑速率呈正比关系，即随着填筑速率的增大，竣工时的超静孔压也随着增大，在50 cm/月的填筑速率条件下，竣工时的最大超静孔压仅为8.47 kN/m2，而随着填筑速率增大到 100 cm/月，最大超静孔压为17.33 kN/m2，而在 300 cm/月填筑速率条件下，最大超静孔压增大到30.68 kN/m2，超静孔压承担了上部填土的荷载，延缓了路基的固结过程。

为了更详细研究各填筑速率条件下孔隙水压的变化过程，在模型中选择A、B两个特征点，研究各特征点的孔隙水压随时间的变化过程。图3为模型中A、B两点的超静孔隙水压力的消散情况。

从图3（a）中可以看出，当填筑速率为50 cm/月时，A点在填筑初期达到最大超静孔压，为－14.538 kN/m2，在填筑过程中超静孔压持续消散，地基承载力在这一过程中不断加高。在100、200 cm/月的填筑速率下，超静孔压在填土初期消散良好，随着填土高度的增加，超静孔压开始缓慢增大，而在300 cm/月的填筑速率下，超静孔压持续增大，当填筑结束时，超静孔压达到最大值，为－22.551 kN/m2。从图3（b）可以看出，B 点在第一层的吹沙阶段孔压增长迅速，达到－39.953 kN/m2，而在其上层的排水板打设之后，超静孔压在短期内降到了－8.906 kN/m2，在之后的填土施工过程中，除了在300 cm/月的填筑速率下超静孔压还在持续增长，其他填筑速率下的超静孔压都消散良好，在这一过程中，排水板起到的排水降压的作用十分明显，填筑速率对于铺设排水板区域软土的固结过程影响不显著。综上所述，结合现场施工情况，选择50、100 cm/月的施工速率较为合理。