不同含水率对路堤填土压实特性的影响分析

■王祖鑫

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

1 引言

福建地处我国东南沿海，属亚热带湿润季风气候，西北有山脉阻挡寒风，东南又有海风调节，温暖湿润为福建气候的显著特色，年平均降水量超过1500mm。我国东南沿海湿热地区及西南潮湿地区的平原或山区丘陵地带广泛分布有高含水率土。由于土体的含水率超过最佳含水率甚多，这些土水稳定性差，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。所以直接采用过湿土作为路基填料，采用正确的填筑工艺和技术措施进行路基施工，这些都有待进一步的研究。

针对潮湿多雨地区填土特性，在试验研究的基础上，结合宁德京台高速公路工程，采用有限元方法进行数值模拟分析。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在不同含水率条件下路堤土压实特性进行分析。

2 计算模型和参数

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。

依据典型断面地质勘测剖面图，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。对地基底面施加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。

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

图1 有限元计算模型

表1 路堤填土和地基土的计算参数

采用两种方法来考虑长期降雨的影响，一种是考虑降雨改变填土的含水率，采用不同含水率的填土(初始压实度为90%)来模拟不同降雨强度或时间对填土性质和压实度的影响。采用不同含水率的填土进行分析时，考虑到若由于降雨而使填土的含水率改变，则很难实现连续施工，因此除连续施工填筑外，还考虑了填筑3d停歇5d的非连续施工情况。二是采用初始压实度为93%的填土，每层填筑时均遇3d暴雨，之后停歇2d后继续填筑下一层，研究长期降雨对路堤压实度和稳定性的影响。

两种情况都采用高8m的路堤进行计算，所建立的分析模型与图3(b)相同。该地区年降水量为1650mm。5～6月为梅雨季，降水量在500～600mm之间，占全年总水量的31%～35%，为境内主汛期；7～9月为台风雷雨季，出现暴雨和大暴雨，平均雨日35～42d，降水量360～680mm，占全年降总水量的22%～30%。在福建地区，通常取年最大24h平均雨深为100mm到150mm。考虑到连续降雨3d，计算时取平均降雨强度0.05m/d，每层填筑完成(3d)后的降雨期间(3d)在地基表面和填筑体表面都设置入渗边界条件。其它边界条件与前面的计算相同。

3.1 不同含水率填土路堤的变形规律

计算表明：在连续施工条件下，竣工时，不同含水率填土路堤沉降量最大值都出现在路堤轴线、距堤基约1/4至1/3堤高处。在连续施工条件下，沉降稳定时，不同含水率的路堤的堤身沉降量最大值都出现在路堤轴线、距堤基约1/2堤高处。填土路堤连续施工竣工时和沉降稳定后的沉降量(m)等值线图如图2。随着含水率的增大，沉降稳定时路堤的沉降量增大。这是因为含水率越大，路堤填土越软，因此最终的沉降量会越大。

计算表明，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，不同含水率非连续施工的路堤堤身沉降量分布规律与连续施工时相同，但沉降稳定时的沉降量更小，填土路堤非连续施工竣工时和沉降稳定后的沉降量(m)等值线图如图3。原因是非连续施工时施工间歇时间增大，填土在施工期的固结程度增大，类似预压效果，因此最终沉降最减小。

图2 不同含水率施工间连续施工沉降量(m)等值线图

图3 施工间非连续施工沉降量(m)等值线图

图4 路堤的最大沉降量随填土含水率的变化曲线

图4为路堤的最大沉降量随含水率的变化曲线。由图可知，无论是连续施工和间歇施工，竣工时和沉降稳定后路堤的最大沉降量都随含水率的增大而增大。说明若遇长期降雨致使填土含水率增大，则竣工和沉降稳定时填土的沉降量都将增大。不同含水率的路堤稳定时的最大沉降量均大于竣工时的沉降量。对比连续施工和间歇施工的结果可知，连续施工竣工时的最大沉降量较小，但沉降稳定后的最大沉降量较大。这是由于施工间歇时间越长，施工期填土的固结越充分，因而竣工时最大沉降量越大，沉降稳定时的沉降量越小。

3.2 考虑降雨入渗时填土路堤的变形规律

计算可知，随着填土高度的增大，路堤的沉降量不断增大。不同施工阶段路堤的沉降量分布规律不同，当填土高度较低(＜4m)时，堤身沉降量出现两个对称的最大值，位于路堤的两侧。竣工和沉降稳定时，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，如图5。随着填土高度的增大，由于降雨入渗，路堤中的浸润线逐渐升高，竣工时浸润线位置最高，之后逐渐降低，沉降稳定时浸润线基本恢复到初始地下水位处。

图6为有、无降雨入渗情况下路堤的沉降量沿高度的分布曲线。竣工时和沉降稳定后路堤的沉降量沿高度的分布规律类似，都是先增大再减小。竣工时沉降量最大值出现在3m高处，沉降稳定时沉降量最大值出现在4m高处。与无降雨时的沉降量相比，除地基表面和竣工时路堤1m高以下，遇长期降雨情况下竣工时和沉降稳定时的沉降量都大于无降雨的情况。这是由于降雨入渗会对路堤填土施加向下的渗透力，增大路堤的沉降量。

图5 降雨入渗情况下不同阶段路堤的沉降量(m)等值线图

图6 路堤的沉降量沿高度的分布曲线

4 压实度随填土含水率的变化规律

图7绘出了不同含水率路堤连续施工情况下压实度随层高的变化曲线。由图可知，竣工时和沉降稳定时压实度增量随着层高变化而变化的规律不同。竣工时，压实度增量都随层高的增大而减小；除路堤最顶层的压实度随含水率的增大而略微减小外，其它高度处的压实度增量都随含水率的增大而增大，且位置越低增大得越明显。这是因为含水率越大，填土越软，沉降量越大，且底层受上部土层的压实越明显。

当沉降稳定时，压实度增量都随层高的增大而增大；不同高度处路堤的压实度增量都随填土含水率的增大而增大。这是因为含水率越高，土体越软，因此路堤最终的沉降量越大，压实度增量也就越大。

图7 不同含水率路堤连续施工的压实度随层高的变化曲线

图8为有、无降雨情况下路堤的压实度增量沿路堤高度的分布曲线。由图可知，竣工时和沉降稳定后路堤的压实度增量沿高度的分布规律不同。竣工时压实度增量随路堤高度的增大而减小，沉降稳定时压实度增量随高度的增大先增大后减小出现在3m高处，沉降稳定时沉降量最大值出现在4m高处。与无降雨时的沉降量相。竣工时有、无降雨对压实度的影响很小，在路堤上部遇降雨的情况的压实度增量稍小，这是由于降雨入渗增大了孔隙水压力，不利于填土的固结。沉降稳定时，遇降雨的情况的压实度增量大于无降雨的情况。这是因为降雨入渗的渗透力给填土施加了附加的应力，增大了填土的固结应力，因而遇降雨时路堤最终的压实度较大。

图8 路堤的压实度增量沿高度的分布曲线

5 结论

(1)对于不同含水率填土路堤，其沉降量在竣工时和沉降稳定时都随填土含水率的增大而增大。竣工和沉降稳定时压实度增量也都随填土含水率的增大而增大。

(2)当遇长期降雨时，竣工和沉降稳定时路堤的沉降量都比无降雨时大；竣工时压实度增量几乎不受降雨入渗的影响，但长期降雨情况下路堤沉降稳定时压实度增量比无降雨时大。