交通荷载作用下高液限粘土路基稳定性分析

许海亮 何兆才 肖 剑 禄苗苗

(1.北方工业大学土木工程学院，北京 100144；2.中冶交通建设集团有限公司，北京 100028)

1 概述

随着我国在西部地区高速公路建设的不断发展，不可避免的会遇到高液限粘土路基工程。对于高液限土填筑的路基，在外界条件下路基易产生裂缝、固结沉降加大等病害，这既影响了公路的正常使用也危及人们的生命财产安全[1-5]。其中高速公路受到长期的重复性动荷载作用，也会给结构带来强度疲劳失稳和变形疲劳失稳，从而导致路基的滑塌现象，存在严重的安全隐患，因此在交通荷载作用下对高液限粘土路基稳定性的研究具有重要的工程意义和实用价值[5-8]。本文依托某高速公路高液限土路基，利用数值模拟技术对该路基进行动力稳定性分析，为类似高液限土路基稳定性研究提供借鉴。

2 研究情况

2.1 工程概况

西部某山区高速公路延伸线工程，全长46.933 km。该工程项目位于亚热带温润季风气候区，年平均气温为12 ℃～18 ℃，年平均降水量达1 085 mm。该工程全线地势起伏较大，山高谷深，岸坡险峻，全段存在比例较大的高液限土分布区段。

2.2 计算模型

以西部山区某高速公路为研究背景，取试验段路基的1/2建立Molar-Coulomb模型，进行动力分析。路堤模型行车方向长度为13 m、宽10 m、厚20 m。计算模型的边界条件为：左边界和右边界受x方向的约束，前后两边界受y方向的约束，底边界受z方向的约束。模型由上至下分别为沥青上面层、沥青中面层、沥青下面层、水稳上基层、水稳下基层、碎石层、路基层、地基层。其中沥青上面层采用SMA-13，厚0.04 m；沥青中面层采用AC-20，厚0.05 m；沥青下面层AC-25，厚0.07 m；水稳上基层采用水泥碎石，厚0.2 m；水稳下基层采用二灰碎石，厚0.2 m；碎石层厚0.15 m；路基层采用高液限土，共分三台阶，台阶高度分别为8 m,8 m,4 m，台阶坡度为1∶1.5，每层台阶间距2 m；地基层为碎石土，厚30 m。计算模型如图1所示。

2.3 计算工况

根据现场勘探情况及实际的具体施工方案，建立模型的计算工况，如表1所示。

表1 计算工况

2.4 计算参数

根据当地实际的地勘资料及试样土的各项实验研究结果，模型的计算参数如表2所示。

表2 计算模型参数

2.5 动荷载的选取

考虑汽车的垂直振动完全由路面的不平整度引起的，因此本文所用汽车荷载模型表达式为：F(t)=P0+Psinωt[9]。车辆荷载与时间的关系如图2所示。

2.6 测点布置

如图3所示，在路基横断面上设置监测点，监测点间距5 m，且在路基路面上设置5个监测点。在交通荷载作用下，提取路基各个监测点的位移、内力值等进行分析。

3 计算结果分析

3.1 竖向位移分析

改良前后路基的竖向位移云图，如图4,图5所示。从图4和图5中可以看出路基的路面沉降值最大，数据结果见表3。

表3 最大沉降值

由图4,图5可知，路基的竖向位移随路基高度的增加而增大；由表3可知，改良前后路面的沉降值分别为0.68 mm，0.29 mm，改良后的路面沉降值明显降低，改良效果为57.35%，因此采用改良高液限土的方法可显著提高路基的稳定性。

路基各监测点的竖向位移监测数据见图6,图7，并计算高液限土路基的改良效果，见表4。

表4 最大竖向位移值

由图6,表4可知，在交通荷载作用下，改良前后的路基路面下沉分布基本一致，其最大沉降值位于道路中部，沉降值分别为0.57 mm,0.25 mm，改良后的路基中部路面沉降量减少了56.14%。

由图7,表4可知，在交通荷载作用下，改良前后的路基竖向位移均随路基高度的增加而增大，且路基底部的竖向位移基本保持不变，竖向位移最大处均位于路基顶部，分别为0.57 mm,0.25 mm，改良后的路基顶部竖向位移减小56.14%；路基高度10 m处的竖向位移改良效果最优，改良效果为82.31%。

综上可知，交通荷载作用下，高液限土路基顶部位置稳定性最差，易造成路面沉降、裂缝等灾害；高液限土路基路面沉降最大值位于路面中部，相应的也成为最容易产生道路病害的位置；通过改良后的高液限土路基沉降量显著得到控制。

3.2 横向位移分析

提取路面各监测点横向位移监测数据如图8所示，并计算高液限土路基的改良效果，见表5。

表5 最大横向位移值

由表5可知，改良前后路基路面的最大横向位移分别为0.048 mm,0.007 66 mm，路基采用改良高液限土后，路面的横向位移减小84.04%；由图8可知，改良后路基路面的横向位移最大值位于距边坡较近的位置。

综上可知，高液限土路基靠近边坡的位置为稳定性较差的位置，易造成边坡滑塌等现象，公路安全不能保障，因此对于路基边坡的加固措施是必要的；改良后的路基横向位移显著减少，故改良高液限土的方法可提高高液限土的稳定性。

4 结语

1)交通荷载作用下，高液限土路基顶部位置稳定性最差，易造成路面沉降、裂缝等灾害；高液限土路基路面沉降最大值位于路面中部，相应的也成为最容易产生道路病害的位置；通过改良后的高液限土路基沉降量显著得到控制。高液限土路基靠近边坡的位置为稳定性较差的位置，易造成边坡滑塌等现象，公路安全不能保障，因此对于路基边坡的加固措施是必要的；改良后的路基横向位移显著减少，故改良高液限土的方法可提高高液限土的稳定性。

2)综上可知，改良后的高液限土路基沉降量和横向位移得到显著控制，研究成果可以为类似路基动力稳定性分析研究提供依据。