潮湿多雨地区压实度对路堤沉降和稳定性的影响

■陈秀强

（1.福建省交通科学技术研究所；2.福建省公路、水运工程重点实验室，福州　350004）

潮湿多雨地区压实度对路堤沉降和稳定性的影响

■陈秀强1，2

（1.福建省交通科学技术研究所；2.福建省公路、水运工程重点实验室，福州350004）

针对潮湿多雨地区路基土压实度难以符合规范要求的特点，依托宁德京台高速公路A3合同段路基工程，采用GeoStudio有限元法对非饱和土填筑路堤的应力和渗流耦合进行数值模拟，分析压实度对路堤沉降、稳定性的影响。结果表明：在满足路堤沉降变形和稳定性的前提下，潮湿多雨地区路基填筑工程可适当降低压实标准。压实度降低多少，根据具体工程，通过试验而定。

压实度沉降稳定性有限元计算分析

1　引言

潮湿多雨地区是指公路一级区划Ⅳ、Ⅴ范围内二级区划中的中湿区和过湿区。区内主要特点是年降水量大，平均在1000mm以上，潮湿系数大于2。这些土极难凉晒至标准击实试验所得的最佳含水率，很难达到现行国家、行业施工规范要求的压实度。传统的处理方法一是弃方，二是添加或水泥、或石灰、或土壤外加剂等加以改进利用。两种方法处理的费用都很大，且不利于环保，对生态破坏严重。为此，这些土能否降低标准利用呢？压实度降低后对路堤沉降、稳定性有什么影响呢？

本文依托宁德京台高速公路A3合同段路基工程，对潮湿多雨地区典型路基填土，在考虑非饱和路堤填土的应力和渗流耦合情况下，采用有限元方法分析压实度对路堤沉降、路堤稳定性的影响。

2　计算模型和参数

对路堤的有限元计算分析采用的是GeoStudio有限元软件中的SIGMA/W和SLOPE/W模块，通过对路堤填筑过程进行应力-渗流耦合模拟，获得路堤和地基的应力应变分布规律，进而研究压实度在各种工况下的变化规律。

选取不同高度的路堤典型横剖面进行计算。依据地质勘测剖面图，地表存在约12m深的粘性土，之下为岩基，基岩的变形远小于地基粘土，其变形可以忽略。因此路基以下的地基深度取12m，表层3m为坡积粘土，之下9 m为残积粘土。地基表面从堤脚向两侧延伸宽度为35m。不同高度路堤的堤顶宽度都为26m。堤高8m以内的路堤采用一级1∶1.5的坡比填筑；堤高大于8m的在8m处设置2m宽的平台，平台以下采用1∶1.75的坡比填筑。

分别采用高6m、8m、12m、16m和20m的路堤建立分析模型（初始压实度都采用93%），研究不同高度的路堤填土（竣工时和路堤沉降稳定后）对路堤以下各层压实度影响。分析时每层的填筑厚度为1m，每3d填筑一层，接着填筑下一层直至路堤顶面。

对于16m和20m路堤，若采用3d填筑1m的施工速度进行模拟，由于施工速度较快，孔隙水压力来不及消散，且路堤较高，填到顶面竣工时的抗滑安全系数小于1，即路堤会失稳，计算所得的变形分布规律也出现异常，因此最终采用8d填筑1m的填筑速度进行模拟。

所建立的分析模型见图1。每个模型都由逐层填筑的路堤和两层地基组成。路堤填筑之前地下水位位于地下2m处。地基底面边界为x和y双向约束；不透水边界。地基左右两侧为x方向约束，允许竖向自由沉降；地下水位以下设置为已知水头边界条件。地基表面和路堤表面都为自由排水边界。整个路堤和地基剖分为四边形或三角形网格，网格尺寸约1m。

图1路堤的计算模型

本次分析对地基和路堤填土都采用非线性弹塑性本构模型进行模拟。非线性弹塑性本构模型与线性弹塑性模型不同之处在于计算中随着填土高度的不同，考虑填筑土体上覆荷载对土体的模量的影响。为了反映不同深度的土体模量的不同，本次计算采用的弹塑性模型不是理想弹塑性模型，而是非线性摩尔—库伦弹塑性模型。它与理想弹塑性模型的区别是土的弹性模量不是常数，是随土体应力而变化的变量，可以通过已有的非线性弹性本构模型的思路求得。本次计算采用的弹性模量的计算公式如下：式中，σ1为大主应力；K为模量系数；n为模量指数。由上式可知，土体的弹性模量是随上覆竖向应力而变化的函数，即模型随上覆土层厚度的增大而增大。

路堤填土的计算参数都由室内试验获取，地基的计算参数参考地勘报告中钻孔取样的数据获取。渗流分析时采用饱与非饱和渗流方程，非饱和分析需用的土—水特征曲线依据填土的级配曲线估算，非饱和渗透函数由土—水特征曲线估算。不同压实度、不同含水率的路堤填土及地基土坡积和残积粘土的计算参数如表1所示。

表1　路堤填土和地基土的计算参数

3　压实度计算方法

路堤的填筑施工采用每层1m进行填筑模拟，考虑到实际施工每层一般为30～40cm，则1m厚度分3层填筑，按照实际每天填筑1层考虑，则连续施工时1m的厚度填筑时间为3d。施工结束后待沉降稳定后施加行车荷载。沉降稳定的标准为10d的地表沉降量＜1mm。

压实度的计算可通过应力应变分析后的体积应变求得。路堤每层的初始压实度、初始体积和密度已知，在固结过程中土体的土粒质量不变，可由下式求得土体的体积变化：

式中，εv为体积应变，此参数可以直接由有限元分析结果提取；V0为初始体积。由此可求得压实变形之后土体的干密度：

式中，Ms为土粒质量；V为压实变形之后土体的体积；ρd0为土体初始干密度。最终可以求得压实变形之后土体的压实度Dc和压实度变化量ΔDc：

式中，ρdmax为土体的最大干密度；Dc0为土体填筑时的初始压实度。

4　计算结果及分析

4.1路堤压实度对沉降的影响

图2为路堤的最大沉降量和堤身压缩量随压实度的变化曲线。由图可知，除刚竣工时外，路堤的最大沉降量都随压实度的增大而减小。这是由于压实度越大，路堤填土越硬，越不易压缩。竣工时，路堤的最大沉降量随压实度的增大而略微增大，这主要是由于压实度较大的路堤填土的密度较大，致使地基的变形较大，竣工时地基的变形比堤身压缩对总沉降量的影响更大，因此，最大沉降量随压实度的增大而增大。

由图可知，在路堤填筑和运行的各个阶段堤身的最大压缩量都随填土压实度的增大而减小，这是由于堤身的压缩直接与土体的变形模量有关，模量越大，压缩变形越小。由表1试验所得的性质参数可知，填土的变形模量随压实度的增大而增大，因此，填土的压缩量随压实度的增大而减小。

图2　路堤的最大沉降量和堤身压缩量随压实度的变化曲线

图3为路堤的最大沉降量随平均压实度增量的变化曲线。由图可知，各种情况下，路堤的最大沉降量都随平均压实度增量的增大而增大，两者呈正相关关系。说明路堤压实度的增大必然造成路堤的沉降量增大，反之亦然。

图3　路堤的最大沉降量和堤身压缩量随压实度增量的变化曲线

由图可看出，路堤高度的变化对压实度和沉降量的影响都很大，最大沉降量随平均压实度增量的增大而增大的幅度较大。这是由于路堤填土的自重是路堤发生沉降变形的主要荷载，因此，路堤的沉降量和压实度都对堤高很敏感。施工间歇时间对压实度的影响较大，但沉降量、特别是沉降稳定后的沉降量随施工间歇时间的增大而增大的幅度有限。含水率的不同对压实度和沉降量的影响都很有限，两者都在较小的范围变化。

6.2路堤压实度对稳定性的影响

图4为路堤的抗滑稳定安全系数随压实度的变化曲线。由图可知，路堤的抗滑稳定安全系数在各个阶段随压实度变化的规律不同。竣工时，路堤的稳定性随压实度的增大先增大后减小，压实度为90%的路堤的稳定性最高。这是由填土的强度以及渗透性随压实度的变化决定的。压实度为85%的路堤填土的强度最低，因此稳定性最低。虽然压实度为93%的路堤填土的强度最大，但由于其透水性最弱，施工过程中孔隙水水压力消散最慢，浸润线最高，因此，其稳定性低于压实度90%的路堤。

当沉降稳定时，路堤的稳定性随压实度的增大有增大的趋势，但压实度从90%增大到93%时，稳定性随压实度未显示明显的增长，压实度为93%的路堤的稳定性与90%的路堤相当。这是由于沉降稳定时，虽然压实度为93%的路堤填土的强度较大，但其密度也较大，由重力产生的下滑力增量与由强度产生的抗滑力增量相比，抗滑力增量不占优势，因此，压实度为93%的路堤的稳定性并不比压实度90%的路堤大。

施加行车荷载后，路堤的稳定性随压实度的增大而增大。原因是施加行车荷载后，各压实度路堤的稳定性都降低，压实度93%的路堤与90%的路堤相比，增加了相同的行车荷载，即下滑力增量相同，但压实度93%路堤填土的强度较高，能提供更大的抗滑力增量，因此，压实度为93%路堤的稳定性比沉降稳定时降低更少，最终其稳定性高于90%的路堤。

由图4中三条曲线的对比可知，虽然三个阶段路堤的稳定性随压实度的变化规律不同，但路堤的稳定性随时间的变化规律是相同的，即竣工时稳定性最低，沉降稳定时稳定性最高，施加行车荷载后稳定性比沉降稳定时低，但仍高于竣工时的结果。可见，当路堤填土的透水性较弱时，路堤的稳定性在竣工时是最低的。因为此时由于路堤的不断填筑，由填土自重产生的超孔隙水压力不能及时消散，竣工时达到最大值，故竣工时路堤的稳定性最低。

图5为路堤的抗滑稳定安全系数随平均压实度增量的变化曲线。考虑到不同堤高和施加荷载后路堤的稳定性不仅受路堤压实度的影响，更重要的是受到直接的荷载作用，因此，与仅有压实度变化情况下路堤的稳定性变化无可比性，因此图中都未给出不同堤高和施加荷载的情况。

由图可看出，施工间歇时间不同和含水率不同的路堤的稳定性随压实度增量的增大而变化的规律完全相反。对于施工间歇不同的路堤来说，填土的强度参数相同，施工间歇时间仅影响填土的固结过程，不影响其强度。竣工时，路堤的稳定性随着压实度增量的增大明显提高，原因是压实度增量越大，路堤的固结程度就越高，孔隙水压力消散程度也就越高，因此，路堤的稳定性随压实度增量的增大明显增大。当沉降稳定时，路堤的稳定性仍随压实度的增大而略微增大，但此时压实度增量的影响远小于竣工时。

图4　路堤抗滑稳定安全系数随压实度的变化曲线

图5　路堤的抗滑稳定安全系数随压实度增量的变化曲线

对于不同含水率填土路堤，其稳定性随压实度增量的增大基本呈线性显著增大。原因是压实度增量较大的土体的含水率较高，其强度参数较低，因此，压实度增量较大的路堤的稳定性较低。这说明若其它因素相同，压实度增量对路堤稳定性的影响很有限，若填土的强度不同，则路堤的稳定性主要由路堤填土的强度控制。

7　总结

由不同初始压实度路堤施工、运行过程的有限元数值模拟以及各种情况下路堤填土的压实度增量与路堤最大沉降量和稳定性的相互关系的分析结果可知：

（1）竣工时，路堤的最大沉降量随路堤填土的压实度的增大而略微增大；沉降稳定时和行车荷载施加后路堤的最大沉降量都随压实度的增大而减小。在路堤填筑和运行的各个阶段堤身的最大压缩量都随填土压实度的增大而减小。

（2）各种情况下，路堤的最大沉降量都随平均压实度增量的增大而增大，说明路堤压实度的增大必然造成路堤的沉降量增大，反之亦然。

（3）路堤填土初始压实度对路堤稳定性的影响除与路堤填土的强度有关外，还与施工过程中孔隙水压力的消散与否、压实度对土体密度的影响等因素有关。施工和运行的各个阶段，当填土的初始压实度由85%增大到90%时，路堤的稳定性都增大。但压实度从90%增大到93%时，竣工时路堤的稳定性随压实度的增大降低，沉降稳定时路堤的稳定性不变，行车后路堤的稳定性增大。

（4）由不同施工间歇时间的路堤的稳定性与压实度增量的关系可知，稳定性随压实度增量的增大略微增大，压实度增量对稳定性的影响很有限。对于强度参数不同（含水率不同）的填土路堤而言，施工和运行后压实度变化范围较小，但路堤的稳定性变化很大，分析可知路堤的稳定性主要由填土的强度控制。

综上所述，在满足路堤沉降变形和稳定性的前提下，潮湿多雨地区路基填筑工程可适当降低压实标准。压实度降低多少，根据具体工程，通过试验而定。

［1］交通部公路科学研究院.JTG E40-2007，公路土工试验规程［S］.北京：人民交通出版社，2007.

［2］中交第二公路勘察设计研究院.JTG D30-2004，公路路基设计规范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［3］中交第一公路工程局有限公司.JTG F10-2006，公路路基施工技术规范［S］.北京：人民交通出版社，2006.

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