软土地区路基沉降数值分析

2018-04-19新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计院郑建斌

中国公路 2018年6期

文/新疆维吾尔自治区交通规划勘察设计院郑建斌

在我国，软土主要分布在东南沿海、内陆河湖及山间谷地等地区，分布范围广泛。因此，在修建公路时，经常会遇到软土地基。由于软土自身的特性，在软土地区填筑路基时，会面临一系列的工程问题，特别是当道路投入运营后，路基的不均匀沉降会导致路基路面出现沉陷、开裂等病害，严重影响道路的使用寿命和行车舒适性。近年来，许多学者对软土的物理力学性质进行了研究，指出软土的工程性质与其微观机构有很大的联系。为了较好地处治软土地基，控制不均匀沉降，必须先掌握软土地基上路基的不均匀变形特点，本文将采用数值模拟的方法对软土地区路基的不均匀沉降规律进行探究。

模型的建立

本文运用Geostudio数值软件中的Sigma/w模块来模拟软土地区公路路基的沉降状况。为了便于计算，将路基模型简化为二维模型，从而将其转变为平面应变问题来研究。计算时所采用的本构模型为“摩尔-库伦模型”，边界条件设置为限制模型左右边界的水平位移，同时限制模型下边界在水平方向、竖直方向上的位移。路基宽度为28m，边坡坡度1：1.5，高度为5m；根据规范要求，地基计算宽度不得小于路基宽度的3倍，而地基的计算深度如公式一所示。本文取地基计算宽度为100m，地基计算深度为40m，满足要求。此外，在路基和地基中间设置1m厚的砂土垫层。

式中：Zn为地基计算深度，b为路基宽度。

网格划分时采用的是四边形和三角形网格，网格尺寸为1m。路基的几何图和网格划分图分别如图1和图2所示，路基土和地基土的材料参数如表1所示。

将计算时间设为180天，路基沉降180天后路基模型网格变化如图3所示，可得知，路基发生了明显的沉降。以路基中心为原点，路基顶面沉降量沿着路基宽度的分布如图4所示。

由图4可知，路基顶面沉降值沿路基中心对称分布，而且路基顶面沉降曲线呈抛物线状：其中路基中心处沉降量最大，达到1.118m；左、右路肩处（±14m处）的沉降量最小，为1.065m；路基中心和路肩处的沉降差为0.053m。

图1 路基几何模型

图2 路基网格划分图

表1 路基和地基材料参数

图3 180天后路基模型网格变化图

图4 路基顶面沉降曲线图

地基回弹模量对路基沉降的影响

研究表明软土地区路基沉降与地基的回弹模量息息相关，为了研究地基回弹模量对路基沉降的影响，分别选取五种不同的地基回弹模量参数，如表2所示。将这些参数导入到图1所示的路基模型中，得出的五种地基上路基顶面的沉降曲线如图5所示。

由图5可知，不同地基回弹模量下，路基顶面沉降值均在路基中心处最大，而在两侧路肩处最小。但是，当地基回弹模量不同时，路基顶面沉降值的大小有很大的差别：五种地基回弹模量下，路基顶面最大沉降值分别为1.118m、0.748m、0.563m、0.452m和0.377m；即当地基回弹模量为10000kPa时，路基顶面最大沉降值为地基回弹模量30000kPa时的2.97倍。

表2 路基和地基材料参数

表3 路基和地基材料参数

图5 不同地基回弹模量下路基顶面沉降曲线图

图6 不同路基填料重度下路基顶面沉降曲线图

此外，由图5可知，地基回弹模量越大，沉降曲线越平缓，也就是说，地基回弹模量不同，路基顶面差异沉降（即路基顶面最大沉降值和最小沉降值之差）也有很大的差别：当地基回弹模量为10000kPa时，路基顶面差异沉降高达0.053m；随着地基回弹模量的增大，路基顶面差异沉降逐渐减小，当地基回弹模量为30000kPa时，路基顶面差异沉降仅为0.019m。

可见，地基回弹模量越大，路基顶面的沉降值和差异沉降值越小。因此，若软土地基不进行加固处置，其地基回弹模量较小，会导致路基沉降量过大；对软土地基进行加固处置，能提高软土地基的回弹模量，从而显著减小路基的不均匀沉降。

路基填料重度对路基沉降的影响

近年来轻质路基填料受到广大研究者的关注，为了研究路基填料的重度对软土地区路基沉降的影响，采用图1所示的路基模型，现分别选取四种路基填料重度进行计算，具体材料参数如表3所示。四种路基填料重度下，路基顶面的沉降曲线如图6所示。

由图6可知，路基填料的重度对路基顶面沉降有很大的影响：路基填料的重度越大，路基顶面沉降就越大。当路基填料的重度分别为5kN/m3、10kN/m3、15kN/m3及20kN/m3时，路基顶面最大沉降值分别为：0.959m、1.016m、1.072m及1.129m。其中，路基填料重度为20kN/m3时的路基顶面最大沉降为路基填料重度为5kN/m3时的1.18倍。

五种路基填料重度下，路基顶面沉降曲线的斜率差别较大，这表明路基顶面差异沉降也有很大的差别：当路基填料重度为5kN/m3时，路基顶面差异沉降较小，数值为0.014m；当路基填料重度为20kN/m3时，路基顶面差异沉降高达0.056m，是前者的4倍。可见，路基填料重度亦是影响软土地区路基沉降的重要因素之一。在经济条件满足的条件下，可以考虑采用轻质路基填料来填筑路基，如EPS、泡沫混凝土等，以减少软土地区路基沉降。