高液限土半填半挖高边坡路基变形影响因素分析

2020-01-03杨果林张华强

水利与建筑工程学报 2020年6期

王灏，刘珍，杨果林，张华强，吕涛

(1.中建五局土木工程有限公司，湖南长沙 410004;2.中南大学土木工程学院, 湖南长沙 410075)

近年来随着山区高速公路的发展，半填半挖高边坡路基在公路建设中的规模也越来越大。同时，我国山区广泛分布着高液限土，高液限土具有高天然含水率、低渗透性和难于压实的特点[1-4]，路基的差异沉降能否得到控制直接关系到道路的使用寿命和行车安全，如何减小高液限土路基的差异沉降是目前山区道路工程的研究的热点之一。但是，目前关于半填半挖高边坡高液限路基的研究较少，亟需填补相关研究的空白。

为了改善高液限土的工程性质，曾静等[5]发现石灰改性高液限土的液限和塑性指数较低，膨胀性明显较弱，CBR有较大提高。可作为高等级公路路基填料。曹沂海等[6]对于发现在石灰改良高液限黏土作为路基填料的施工中，通过试验调整施工工艺，严格控制石灰的掺量，并用EDTA滴定法及时测定压实土样的石灰用量，能达到提高路基质量的目的，保证路基施工质量。故可以看出采用石灰改良的高液限土用于半填半挖高边坡路基填筑是可行的。高成雷等[7]研究了山区公路半填半挖路基的沉降控制标准，指出半填半挖路基施工后沉降曲线结构为中心对称的“s”形，对称中心两侧曲线截面为抛物线。刘建磊等[8]指出半填半挖路基的稳定性受多种因素的控制，如填挖交界处不良界面的结构类型和岩性条件。通过敏感性分析，发现填土高度、地下水和填土的粘结力是影响路基稳定性的较敏感因素。故半填半挖高边坡路基差异沉降较大，变形与稳定性不易控制。

高液限土半填半挖高边坡路基同时存在高液限土的不良性质与半填半挖高边坡路基的变形特性，需要同时关注路基的不均匀变形与路基边坡稳定性，其与普通高填方或深挖方路基在土压力、差异变形分布规律、失稳形态等方面有较大的差异[9-11]。但这种路基形式在依托工程的高速公路上分布广泛，为了保证工程项目的顺利完工，及后期高速公路运营的稳定，十分有必要对此种特殊路基的变形进行研究。

近年来数值模拟在路基沉降分析中的应用越来越广泛，蔡文霄等[12]采用FLAC3D有限差分软件对兰永一级高速公路某高填方路基建立了二维模型，发现填方高度和填方材料是影响路基沉降的主要因素。章海明[13]采用ABAQUS软件分析了某高速公路粉喷桩加固软土路基的效果。故本文借助ABAQUS有限元软件对某高速公路典型高液限土半填半挖高边坡路基的变形特性进行研究，分析不同条件下路基的沉降变形，为项目施工运营和将来类似项目提供有意义的参考。

1 模型建立

选取桩号K28+440半填半挖高边坡路基边坡作为研究对象，填方与挖方边坡均为3级，采用双向四车道，路基宽度为26 m，填方与挖方均占路基宽度的一半。填方高度24 m，分为3级，每级高8 m，挖方高度30 m，同样分为3级，每级高10 m，根据地勘资料模型影响范围内岩土层分为4种，砂质粉质黏土、全风化花岗岩、强风化花岗岩(半岩半土状)、中风化花岗岩，前三种土层厚度分别为10 m、9 m、20 m，以下均为中风化花岗岩。对现场情况进行简化建立模型见图1，模型坡顶与坡脚均取50.0 m，以消除边界影响，模型总高度为143.0 m，宽度为193.6 m，纵向为30.0 m。模型左右前后方向约束法向变形，底面约束法向与切向变形，选择CPE4(四节点平面应变单元)作为单元类型，采用非对称求解器。

由于路基施工完成后会对路基表面进行整平，再进行下一步的施工，运营阶段路面结构不仅要承受车辆荷载，还要承担路基不均匀沉降产生的影响，故运营阶段路基变形的研究更有实际价值。

图1 桩号K28+440路基边坡横断面图及模型尺寸

考虑到半填半挖高边坡路基问题的影响因素比较复杂，为简化计算，在进行数值模拟计算时作如下假定：

(1) 路基和地基材料为均质、连续、各向同性；(2) 路基填土和砂质粉质黏土、全风化花岗岩、强风化花岗岩(半岩半土状)采用Mohr-Coulomb本构模型，中风化花岗岩采用线弹性模型；(3) 假设填方与挖方间不会发生相对滑动和脱离；(4) 没有施加地下水位，不考虑地下水的渗流固结；(5) 车辆荷载等效成大小为10.5 kPa的均布荷载处理，路面荷载等效为17.5 kPa，故路基上承受的荷载大小为28.0 kPa[14]。

2 参数设置

根据地勘料地基各岩层厚度与物理力学参数见表1，此路基填筑采用2%石灰改良高液限土填料，填方控制含水率为20%。

表1 原岩层物理力学基本参数

3 计算结果分析

路基变形对路面结构影响最大的指标为差异沉降和变坡率，故本文在分析路基变形时重点分析差异沉降与变坡率的变化。差异沉降为路面沉降的最大最小沉降差值，变坡率在本文中取沉降最大点到路基面两端的平均变坡率最大值。

3.1 路面荷载的影响

在高速公路运营过程中路面荷载具有随机性，大小并非保持不变，本文根据规范把路面荷载简化为均布荷载，故可以研究不同荷载大小下路基面变形的变化来探究路面荷载对路基变形的影响，分析作用在路基面上荷载大小为20 kPa、28 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa时路基面变形的变化，绘出不同工况下变形图(见图2)，得出差异沉降与变坡率随荷载大小的变化曲线(见图3)。

图2 荷载对路基面竖向变形的影响

由图2可知，不同荷载作用下路基顶面竖向变形分布规律性具有相似性，均呈反抛物线型，随着荷载增大路基面竖向变形增大，且曲线弯曲程度不断变大，不同工况下竖向变形分布曲线差异路基两端小，中间大，且填方段的竖向变形大于挖方段，但最大变形位置不变，均位于距路堤边缘11.7 m处。这说明当路基土的性质不变时，在竖向荷载作用下荷载的扩散路径也没有发生变化，所以变形曲线整体线性保持不变。

图3 荷载对差异沉降与变坡率的影响

由图3可知，路基面最大竖向变形与最小竖向变形均随荷载的增大线性增大。最大沉降、最小沉降、差异沉降比例系数分别为0.002 6 m/kPa、0.001 3 m/kPa、0.001 3 m/kPa。这表明在最大沉降点处有比较明显的应力集中现象，导致最大沉降的增大速率明显大于最小沉降和差异沉降。沉降最大点两侧的平均变坡率也与荷载呈正相关，右侧与左侧比例系数分别为9×10-5/kPa、7×10-5/kPa，沉降最大点右侧平均变坡率大于左侧。这表明挖方边坡受路面荷载影响发生的变形要小于填方边坡。

3.2 高液限土填料含水率的影响

高液限土对含水率有很高的敏感性，不同含水率下各项物理力学参数有很大的变化。在填方的填筑中含水率控制很难非常精确，而且在长时间的运营过程中经历雨水入渗、地下水上升下降，含水率会发生变化。故需要分析路基变形随含水率的变化规律，在高填方中93区是路基的主要区域，故在本文中计算93区含水率为15%、18%、20%、22%时路基的变形的变化，不同含水率下填方土参数可以根据前文公式可计算出如表2所示，根据计算结果绘出不同工况下变形图(见图4)，得出差异沉降与变坡率随填方含水率的变化曲线(见图5)。

表2 填方土物理力学基本参数

由图4可知，不同填方含水率下路基顶面竖向变形分布规律性具有相似性，形状大致相同，呈反抛物线型，填方端的竖向变形大于挖方端。不同工况分布曲线仅在填方区存在差异，在挖方区变化不大。填方填料含水率越大，填方区变形越大，同时不同工况下曲线填方区差异随距路堤边缘距离先增大后下降，但总的来说差异不大。此外不同工况下最大沉降点存在差异，随着含水率的增大，沉降最大点距路堤边缘距离分别为12.35 m、11.70 m、11.70 m、11.05 m。

图4 填方含水率对路基面竖向变形的影响

由图5可知，半填半挖高边坡路基差异沉降随填方含水率的增大呈非线性增大，且变化速率不断下降，这是因为在研究范围内填方土的物理力学参数随着含水率的增大变化幅度减小。考虑到工程实用性和土的性质具有离散性，变化趋势宜采用二次函数来拟合，拟合公式为y=-8×10-6x2+0.0004x+0.0289，R2=0.9993，拟合效果较好。

由于不同工况下差异变形变化不大，故变坡率的变化也不是很明显，变坡率极差仅为0.02%，沉降最大点右侧平均变坡率随着填方填料含水率的增大而不断下降，而且沉降最大点左右侧平均变坡率变化趋势相反，变形曲线在对称轴为y=0.215%上下大致呈镜像关系，沉降最大点右侧平均变坡率大于左侧。这说明填方填料含水率的变化引起了应力在土体中的重分布，并对挖方边坡附近的路基沉降也产生了影响，但是填方路堤附近的路基沉降变化显著增大。

图5 填方含水率对差异沉降与变坡率的影响

3.3 不良地基层压缩模量的影响

由于上文中发现填方含水率的变化，即填方物理力学参数对路基变形影响不大，可以联想到影响路基面变形的应该是地基，而地基的各项参数中对变形影响最大的就是压缩模量，为探究地基压缩模量对路基面变形的影响，选取砂质粉质黏土地基层压缩模量作为变化量，分析其为5.0 MPa、7.5 MPa、10.0 MPa、12.5 MPa、15.0 MPa时路基面变形的变化，绘出不同工况下变形图(见图6)，得出差异沉降与变坡率随砂质粉质黏土地基层压缩模量的变化曲线(见图7)。

由图6可知，不同地基压缩模量下，路基顶面竖向变形分布规律性具有相似性，形状大致相同，随着压缩模量的增大，曲线之间差距不断减小，不同地基压缩模量下路基面左侧竖向变形差异较右侧更大，且压缩模量越大，沉降分布曲线两端差异越小。这是由于随着砂质粉质黏土地基层压缩模量的增大，地基土与路基土之间的模量越接近，故由路面不同区域模量差异造成的差异沉降也越小。此外不同工况下最大沉降点存在差异，随着不良地基压缩模量的增大，沉降最大点向右移动，沉降最大点距路堤边缘距离分别为10.40 m、11.70 m、11.70 m、11.70 m、12.35 m。

图6 砂质粉质黏土地基层压缩模量对路基面竖向变形的影响

由图7可知，半填半挖高边坡路基最大沉降与差异沉降随砂质粉质黏土地基层压缩模量的增大呈非线性减小，且变化速率不断下降，而最小沉降变化较小。差异沉降变化趋势采用幂函数来拟合，拟合公式为y=0.1697x-0.776(x≥5)，R2=0.9896，相关系数达到98%以上，拟合效果较好，所以半填半挖高边坡路基差异沉降随不良地基模量的变化用幂函数来进行表达。

图7 砂质粉质黏土地基层压缩模量对差异沉降与变坡率的影响

由于沉降最大点的移动，变坡率的变化规律与差异沉降不同，随着不良地基压缩模量的增大，路基沉降最大点左右两侧的平均变坡率均不断下降，但变化趋势不同，右侧变坡率下降速率不断减小，而左侧变坡率下降速率先减小后增大，右侧变坡率始终大于左侧变坡率。这表明当不良地基的压缩模量提高时土体内部的应力扩散路径发生了巨大的变化，靠近填方的路基沉降显著减小，而这种变化在不良地基的压缩模量提高到10.0 MPa时已经趋于稳定。

3.4 不良地基层厚度的影响

随着地形的变化，不同桩号各天然岩层厚度会发生变化，而各岩层中对路基变形影响最大的是第一层的砂质粉质黏土不良地基层的厚度。此外清淤换填是处理不良地基的一种方法，其做法就是改变不良地基的厚度。故有必要研究砂质粉质黏土地基层厚度对路基变形的影响。现选取厚度为10.0 m、7.5 m、5.0 m、2.5 m为不同工况进行对比，分析砂质粉质黏土不良地基层厚度对路基面竖向变形的影响，绘出不同工况下变形图，得出差异沉降与变坡率随砂质粉质黏土地基层厚度的变化曲线如图8所示。

由图8可知，不同地基厚度下路基顶面竖向变形分布规律性具有相似性，形状大致相同，呈反抛物线型，不同工况下竖向变形分布曲线差异路基两端小，中间大填方端的竖向变形大于挖方端，随着不良地基层厚度的减小路基面竖向变形减小，且曲线弯曲程度不断变小，但最大变形位置不变，均位于距路堤边缘11.7 m处。这说明改变不良地基的厚度没有对应力的扩散路径产生影响。

图8 砂质粉质黏土地基层厚度对路基面竖向变形的影响

由图9可知，随不良地基厚度的增大，半填半挖高边坡路基最大沉降大致呈线性增大，而最小沉降与差异沉降呈非线性增大，差异沉降变化趋势采用二次函数来拟合，拟合公式为y=1×10-5x2+0.0011x+0.0223，R2=0.9979，相关系数达到99%以上，接近1，拟合效果很好，可见半填半挖高边坡路基差异沉降随地基模量的变化可以用二次函数来进行表达。

由于路基面左右端沉降变化的差异，变坡率的变化规律与差异沉降不同，随着不良地基层厚度的减小，路基沉降最大点左右两侧的平均变坡率变化趋势不同，右侧变坡率不断增大，而左侧变坡率先增大后稍有下降，右侧变坡率始终大于左侧变坡率。最大变坡率可以用二次函数来拟合，y=1×10-4x2+0.0076x+0.1561，R2=0.9979，拟合效果较好。