非连续施工条件下路堤填土压实度特性分析

■ 林 堃

（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 3 50004）

1 引言

针对潮湿多雨地区路堤填土，在福建省宁德京台高速公路A3合同段试验研究的基础上选取典型断面K78+700，采用有限元方法进行数值模拟分析。依据《潮湿多雨地区路基填土压实特性与填筑质量控制标准研究》课题成果，模型中考虑非饱和路堤填土的应力和渗流耦合，通过模拟路堤填筑施工过程以及竣工后随时间不断固结过程，可以获得路堤的沉降量、水平位移以及体积应变，由体积应变可求得体积变化量，进而求得固结后的密度，最终可由密度求得压实度，进而分析压实度随各种因素的变化规律。以下针对潮湿多雨地区填土在非连续施工条件下路堤土压实特性进行分析。

2 计算方法

2.1 计算软件简介

本次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。SIGMA/W是一个专门分析岩土结构应力和变形的有限元软件，它可用于多种不同的应力应变本构关系的分析，从简单的线弹性分析到复杂的非线性弹塑性分析。加载和卸载都可以分步进行，并且还可以实现与渗流模块的耦合求解，考虑施工过程中随孔隙水压力的变化而产出的固结变形。SLOPE/W模块可用于各种岩土边坡的稳定性分析，提供多种基于极限平衡的边坡稳定性分析方法和有限元边坡稳定性分析方法，由于有限元方法能够考虑边坡的实际应力和变形状态，因此本次采用有限元方法进行路堤的稳定性分析。

2.2 计算模型和参数

依据计算方案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9m为残积粘土。地基表面从堤脚向两侧延伸宽度为35m，堤顶宽度都为26m，堤高为8m，坡比为1∶1.5。

本次分析需要考虑施工过程中路堤的变形，因此需要采用应力—渗流耦合分析，这就需要对计算模型的边界同时设置应力变形约束和渗流边界条件。对坝基底面施加x和y方向的双向约束，在地基的左右两侧约束x方向位移，允许竖向自由沉降，对于渗流边界，地基底面为不透水边界，地基的左右两侧依据地下水位深度设置水头边界，地面和填筑体表面为自由排水边界。初始地下水位设置在地面以下2 m深度处。有限元模型网格划分如图1所示。

图1 有限元计算模型

表1 路堤填土和地基土的计算参数

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。

3 有限元计算分析

南方多雨地区经常会遇到降雨而被迫停工，因而无法连续施工。为研究非连续施工对路堤压实度的影响，采用初始压实度93%、高8 m的路堤进行计算分析，非连续施工采用每填筑1 m间歇5 d、10 d、20 d、30 d和60 d五种方案，之后继续填筑下一层。这五种方案的填土高度随时间的变化如图2～7所示。

3.1 不同施工间歇时间路堤的沉降规律

经计算可知：不同施工间歇时间的路堤的堤身沉降量分布规律类似，沉降量最大值都出现在路堤轴线、距堤基约1/3堤高处，随着施工间歇时间的增大，竣工时堤身中浸润线的位置降低；沉降稳定时不同施工间歇时间的路堤的堤身沉降量分布规律类似，沉降量最大值都出现在路堤轴线、距堤基约1/3至1/2堤高处，随着施工间歇时间的增大，沉降稳定时路堤的固结沉降量减小。这是因为施工间歇时间越长，孔隙水压力就有更充分的时间消散，施工期的固结程度就越高，因此最终的沉降量会越小。图2为施工间歇时间5d时高8 m的路堤竣工时沉降量等值线图。图3为施工间歇时间5d时高8 m的路堤沉降稳定时沉降量等值线图。

图2 施工间歇时间5 d时竣工沉降量（m）等值线图

图3 施工间歇时间5 d沉降稳定时沉降量（m）等值线图

图4为路堤的最大沉降量随施工间歇时间的变化曲线。由图可知，竣工时的固结度随施工间歇时间的增大而增大。竣工时和沉降稳定后路堤的最大沉降量随施工间歇时间的变化规律相反。竣工时，最大沉降量随施工间歇时间的增大而增大。这是由于施工间歇时间越长，施工期填土的固结越充分，因而最大沉降量越大。沉降稳定时，最大沉降量随施工间歇时间的增大而减小。这是由于施工间歇时间越长，施工期固结程度越高，填土变硬，则填土的最终变形量就越小。

图4 路堤的最大沉降量及固结度随施工间歇时间的变化曲线

3.2 压实度随施工间歇时间的变化规律

计算分析可知，竣工时和沉降稳定时压实度增量随着填土高度变化而变化的规律不同。

竣工时，不同高度处的压实度随施工间歇时间变化而变化的规律相似，都是随着施工间歇时间的增大，压实度增量逐渐增大。这是因为每层填筑后停歇时间越长，孔隙水压力就有更长的消散时间，因此固结沉降量更大，压实度提高更多。相同施工间歇时间，位于不同高度处填土的压实度度增量随高度的增大而减小。即最底层 （第1 m）的压实度增量最大，最高一层（第8 m）的压实度增量最小。这主要是由于上层土的自重对下层土的压实作用。图5为高8 m的路堤各层填土的压实度随施工间歇时间的变化曲线（竣工时）。

当沉降稳定时，不同高度处路堤的压实度随施工间隔时间变化的规律相似。压实度增量都随着施工间隔时间的增大而减小。这是因为施工间隔时间越长，施工过程中填筑层以下的土层的固结程度越高，相当于产生了预压作用，因此各土层的压实度增量都越小。当施工间隔时间相同且＜10 d时，压实度增量随着层高的增大而增大，即路堤顶层的压实度增量大于路堤底层。这主要是由于施工速度较快时，孔隙水压力来不及消散，致使路堤下部的土层无法有效固结，因而其压实度增量较小。当施工间隔时间相同且＞10d时，压实度增量随着层高的增大而减小，即路堤顶层的压实度增量小于路堤底层。这是由于施工速度较慢时，孔隙水压力能够逐渐消散，上覆土层自重对下部土层产生了有效的压缩作用，因而下部土层压实度增量较大。图6为高8m的路堤各层填土的压实度随施工间歇时间的变化曲线（沉降稳定时）。

图5 路堤各层填土的压实度随施工间歇时间的变化曲线（竣工时）

图6 路堤各层填土的压实度随施工间歇时间的变化曲线（沉降稳定时）

图7为整个路堤压实度增量平均值随施工间歇时间的变化曲线。由图可知，竣工时和沉降稳定后压实度增量平均值随施工间歇时间的变化规律相反。竣工时，压实度增量随施工间歇时间的增大而逐渐增大，说明施工间歇时间越长，施工期填筑土体能有更长的固结时间，因此固结压缩量更大，压实度增量也就越大。相反，沉降稳定后，压实度增量随施工间歇时间的增大而逐渐减小，说明这也是由于施工间歇时间越长，施工期的固结程度越大，土体越硬，因此最终的压缩量随施工间歇时间的增大而减小，故压实度增量也减小。

图7 压实度增量平均值随施工间歇时间的变化曲线

4 结论

（1）对于不同施工间隔时间的路堤，竣工时，路堤的沉降量随着施工间隔时间的增大而增大；沉降稳定时，沉降量随着施工间隔时间的增大而减小。

（2）对于不同施工间隔时间的路堤，竣工时，压实度增量都随施工间隔时间的增大而增大；沉降稳定时，压实度增量都随施工间隔时间的增大而减小。

（3）对于不同施工间隔时间的路堤，竣工时，路堤的压实度增量都随层高的增大而减小；沉降稳定时，施工间歇时间＜10d时，由于施工速度较快时，孔隙水压力来不及消散，致使路堤下部的土层无法有效固结，路堤的压实度随层高的增大而增大；施工间歇时间＞10d时，由于施工速度较慢时，孔隙水压力能够逐渐消散，上覆土层自重对下部土层产生了有效的压缩作用，路堤的压实度随层高的增大而减小。