考虑分层填筑的高路堤沉降变形特性分析

刘美芳，蒋 鑫，陈晓丽，邱延峻

考虑分层填筑的高路堤沉降变形特性分析

刘美芳，蒋 鑫，陈晓丽，邱延峻

（1. 西南交通大学，土木工程学院，成都 610031；2. 西南交通大学，道路工程四川省重点实验室，成都 610031；3. 西南交通大学，高速铁路线路工程教育部重点实验室，成都 610031）

为研究高路堤动态填筑全过程沉降变形特性, 基于非线性有限元数值模拟, 对比分析高路堤与一般路堤分层动态填筑过程中地基面沉降、路堤面沉降和坡脚处地基剖面侧向位移的分布演变规律, 讨论填料轻质化、压实度提高对沉降变形的影响。研究发现: 高路堤分层填筑全过程中堤身荷载不容忽视, 采用轻质填料可极大减小高路堤的压缩变形和地基沉降; 随着压实度的提高, 如路堤填土弹性模量增加2倍, 高路堤路基面沉降则减小16. 9%, 而地基面沉降和坡脚处地基剖面侧向位移影响甚微。

高路堤；动态施工；数值模拟；沉降变形特性；轻质填料；压实度

0 引 言

随着山区高速公路建设的快速挺进，将不可避免地修建大量的高路堤工程。高路堤常被称为高填方路堤、高边坡路堤等。《公路路基设计规范》[1]中规定边坡高度超过20m的路堤为高路堤，因土质、地基等情况各异，目前高路堤尚未形成一个严格统一的判别标准。从宏观上看，受地形地貌、填料性质、水文地质、施工压实和行车荷载等因素的影响，高路堤常出现因整体下沉或者局部下沉、不均匀沉降而诱发的纵横向开裂、路基滑动或者坍塌等病害，直接危害到行车舒适性和安全性。

高路堤的沉降行为得到众多研究者的高度关注。吴福宝[2]依托厦沙高速公路某高填方路堤，使用分层沉降仪监测路堤工后240天的沉降量，结合有限元分析得出高路堤工后沉降量。Jia Liang[3]为研究高填方路基在重力应力和车辆荷载作用下的施工后沉降，对兰州至永京高速公路进行了现场监测，分析了沉降随时间和空间的演化规律。王金明[4]开展了高填方路基填料类型对不同时期沉降规律影响的对比分析。魏道凯[5]依托武汉天河机场第二通道高速公路实测数据，基于FLAC3D建立高填方路基沉降模型，利用双曲线法等不同的曲线拟合方法，得到路堤的沉降曲线拟合模型。

此外，LUO Junhui[6]将模糊神经网络方法与神经网络模型相结合，根据河白高速公路路基的实测数据，建立了路基沉降计算模型。景宏君[7]采用经修正了的非匀速填土和非等步长沉降观测时间的GM（1，1）灰色理论预测模型进行高路堤工后最终沉降量预测。景宏君[8]采用现场试验和理论分析相结合的方法对高填方路基沉降进行了分析，灰色模型理论预测路堤的不同阶段和最终沉降，根据沉降试验实测数据，对预测结果进行对比分析。张卫兵[9]在分层总和法的基础上考虑土的侧向变形，引入压缩模量随填土应力变化的修正，提出了侧向变形影响的修正系数表达式，得出高路堤自身最终沉降量简化计算模型。甘鹏山[10]结合资溪花山界至里木高速公路高填方工程，采用有限元方法模拟并结合现场实测数据的分析，研究了高填方路堤在填筑全过程中的变形应力特征及其变化规律。

以上研究积极地促进了高路堤沉降特性的深入理解，但因现场试验、模型试验等手段存在成本高、周期长等缺陷，在较长时期内有限元等数值模拟方法仍是分析高路堤沉降变形特性的有力武器。注意到路堤堤身高不可能一次性填筑完毕，同时土体的材料非线性特征突出，必须在有限元分析中高度重视路堤的分层分步填筑，即考虑动态施工力学行为，计入施工过程中结构要素（含形体、尺寸和材料）和外来作用因素（含荷载、温度和约束条件）的变化对完建状态的结构内部响应（含位移、应变和应力等）的影响[11]。文献[11]将此类问题归纳为变结构非线性问题，并强调“对于考察体完建状态的模拟必须采用动态建模的仿真手段”。为此，本文尝试运用享有国际声誉的岩土工程专业有限元软件PLAXIS，充分考虑路堤的分层填筑，探讨在堤身荷载作用下地基的沉降变形特性，进而分析路堤填料轻质化、路堤压实质量提高等的科学性，以期为工程提供理论依据。

1 数值模型的建立

假定高速公路为双向四车道整体式路基，路基面宽度为26m，路堤高度=22m，遵照公路路基设计规范（JTG D30—2015），取路堤边坡坡比由上至下依次为1：1.5（上部8m）、1：1.75（中部12m）、1：2（下部2m）。考虑到该问题具有典型的对称性，为减小计算规模、节省机时，取右半结构予以分析，同时视为平面应变问题[12]。经过试算，数值模型中地基宽度为120m，深度为80m，以尽量避免、削减边界条件的影响。地下水位线处于模型底部，模型示意见图1所示。

图1 高路堤有限元模型示意图（单位：m）

选用理想弹塑性本构模型，路堤填土和地基土的应力-应变关系均服从Mohr-Coulomb准则，材料类型选择不排水，参考文献[13]，选取相应的材料参数如表1所列。

表1 路堤填土和地基土的材料参数

Tab.1 Material parameters of the embankment filling and foundation soil

采用15节点高精度三角形单元、自动剖网方式离散模型。模型的底侧视为水平向、垂直向双向位移约束，左右两侧水平向约束、垂直向自由，以模拟在堤身自重荷载作用下的压密沉降。同时为更好地体现高路堤沉降变形的特殊性、复杂性，另取高度=6m的一般填方路堤，依据文献[14]知坡度变化对沉降的影响微乎其微，同时贴合工程实际，取边坡坡比为1：1.5，在其他条件不变的前提下进行高路堤与一般填方路堤的横向对比。

实际工程中，路堤的填筑具有典型的分层逐级加载特征，且土体材料非线性行为不容忽视，显然在数值模型中必须充分、正确地考虑路堤填筑这一动态施工力学行为，对于高路堤更是如此。另一方面，早期曾将路堤分层填筑简化为荷载的逐级施加，这无疑未能妥善处理路堤填土荷载的柔性，与实际情况出入较大[15]。本文首先冻结路堤填土，采用0过程的方式，将地基自重应力视为初始应力，然后通过软件内嵌的分步建造（Staged construction）功能，逐步激活路堤填土各层，模拟路堤填筑施工过程，高路堤、一般填方路堤均按1m/层予以填筑。

2 主要计算分析结果及讨论

2.1 地基面沉降

图2（a）给出了高路堤（= 22m）地基面沉降随逐级加载而变化的全过程分布。可知，随着路堤土的分层逐级填筑，地基面沉降逐渐增大，但增加的趋势有所变缓。路堤中心线处地基面沉降最大，越远离中心线则越小；在路堤荷载范围以内沉降变化较大，坡脚以外的沉降变化则趋于相对平缓。图2（b）则给出了一般填方路堤（= 6m）全过程加载与高路堤前6级加载地基面沉降分布的对比，相较于一般填方路堤的各级加载，高路堤每一级填筑地基面都将产生更大的沉降量，且增量的变化亦呈逐渐增大的趋势，6级加载后两者沉降差值达到1.52倍。高路堤全部填筑完毕后最大沉降值达到758.35mm，是一般填方路堤的4.36倍。图2（c）表明坡脚点的沉降随逐层填筑而逐渐增大，高路堤趋势明显大于一般填方路堤，且增大趋势随着填高的增加而逐渐增大。填筑到6m时，高路堤是一般填方路堤的1.14倍，全部填筑完毕后则达到2.57倍。相对于一般填方路堤，高路堤将使地基产生更大的压缩变形量。

2.2 填筑层顶面沉降

图3（a）给出了高路堤分层逐级填筑过程中每填筑层顶面的沉降分布曲线。随着路堤的填筑，各填筑层顶面的沉降分布曲线较为平缓，沉降逐层增加，但增加的趋势略微减弱。图3（b）为一般填方路堤全过程加载与高路堤前6级加载各填筑层顶面沉降分布的对比，相较于一般填方路堤的各级加载，高路堤每一级填筑后都会产生更大的沉降量，且其增量亦呈逐渐增大的趋势。填筑到6m时，高路堤是一般填方路堤的1.50倍，全部填筑完毕后则达到4.98倍。相对于一般填方路堤，高路堤自身会产生更大的压缩变形量，且随着填筑高度的增加而增加。

图3 各填筑层顶面的沉降分布

2.3 坡脚处地基的侧向位移

图4给出了高路堤和一般填方路堤填筑全过程中坡脚处地基剖面（即图中的1-1剖面）侧向位移沿深度的分布。可见，随着路堤的逐级填筑，坡脚处地基剖面的侧向位移逐渐增大，呈现向右的“凸状”，增大的趋势有所减小。侧向位移沿地基深度的分布表现为先负后正。图4（b）还进一步给出了一般填方路堤全过程加载与高路堤前6级加载坡脚处地基剖面侧向位移沿深度的分布，高路堤坡脚点的侧向位移正向值、负向值分别为一般填方路堤的2.04倍、1.79倍；填筑完毕后正向值、负向值分别达到一般填方路堤的5.82倍、3.08倍。图4（c）则表明坡脚点的水平位移呈逐渐增大的趋势，路堤由1m至6m的填筑过程中，高路堤坡脚点的水平位移明显大于一般填方路堤，且增大的趋势亦随着填高的增加而逐渐增大。填筑至6m时，高路堤坡脚点的侧向位移是一般填方路堤的1.79倍，完全填筑完毕后则达到3.08倍。

3 填料轻质化、压实度提高对高路堤沉降特性的影响

3.1 填料轻质化对高路堤沉降变形的影响

前文分析已经表明，高路堤因填筑土方量大，将引起较大的沉降变形。《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）指出轻质材料可以作为减少路堤重度或者土压力的路堤填料，主要包括土工泡沫塑料、泡沫轻质土、粉煤灰等。不妨在数值模型中通过调整路堤填料的重度，将γ初始值19kN/m3，与4kN/m3、9kN/m3和14kN/m3等3种工况进行对比，分别获得地基面和路堤面的沉降分布、坡脚处地基剖面的侧向位移分布（见图5），从而量化填料轻质化对高路堤沉降变形的影响。

由图5可知，随着填料重度的逐渐减小，地基面和路堤面的沉降、坡脚处地基剖面的侧向位移均明显减小，填料重度由19kN/m3降至4kN/m3，降低了78.9%，高路堤地基面沉降、路堤面沉降最大值、坡脚处地基剖面侧向位移正向值和负向值（绝对值）均降低78.9%，这意味着路堤自身的变形已大幅变小，对地基产生的附加应力、变形也很大程度被削弱。在工程实践中可综合考虑经济效益、施工可行性和环境保护等因素，合理选用轻质填料，减小因路堤高度偏高而带来过大沉降变形的负面影响，使得整个路堤结构处于良好的工作状态。

3.2 压实度提高对高路堤沉降变形的影响

压实度是路堤施工质量控制的关键指标之一，显然压实度越高，密实程度越大，可通过调整路堤土弹性模量的方式间接地模拟压实度的变化。为分析压实度提高对高路堤沉降变形的影响，通过调整路堤土弹性模量，将其初始值15MPa与25MPa、35MPa和45MPa等3种工况对比分析，分别获得路堤面和地基面的沉降分布、坡脚处地基剖面的侧向位移分布（见图6）。

图6表明，随着压实度的提高，路堤面的沉降逐渐减小，且减小趋势明显变缓，路堤土弹性模量增加2倍，高路堤路基面沉降减小16.9%，但地基面沉降和坡脚处地基剖面侧向位移减小幅度甚小。在工程实际中，不宜片面地仅依赖提高压实度的方法来减小高路堤沉降变形，需在充分考虑施工机械、经济成本等各方面因素的基础上制定压实度的合理标准。

4 结论与建议

（1）高路堤分层填筑全过程中堤身荷载不容忽视，相较于一般填方路堤的各级加载，高路堤每一级填筑后都会产生更大的变形。同等条件下加载到路堤高度6m，地基面沉降量高路堤是一般填方路堤的1.52倍，路堤沉降量是1.50倍，坡脚处地基剖面侧向位移正向、负向分别为2.04倍、1.79倍。高路堤完全填筑后地基面沉降量是一般填方路堤的4.36倍，路堤沉降量是4.98倍，坡脚处地基剖面侧向位移正向、负向分别为5.82倍、3.08倍。

（2）采用轻质填料，填料重度由19kN/m3降至4kN/m3，降低了78.9%，高路堤地基面沉降、路堤面沉降最大值、坡脚处地基剖面侧向位移正向值及负向值（绝对值）均降低78.9%，轻质填料可显著地降低路堤本体的压缩变形和地基沉降，工程实践中应合理设计，充分考虑轻质填料的应用。

（3）随着压实度的提高，如路堤土弹性模量增加2倍，高路堤路基面沉降则减小16.9%，而地基面沉降和坡脚处地基剖面侧向位移减小幅度甚小。在工程实际中，不宜片面地仅依赖提高压实度的方法来减小高路堤沉降变形，需在充分考虑施工机械、经济成本等各方面因素的基础上制定压实度的合理标准。

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Analysis of Settlement Deformation Characteristics of Layered Buried High Embankment

LIU Mei-fang，JIANG Xin，CHEN Xiao-li，QIU Yan-jun

（1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Highway Engineering Key Laboratory of Sichuan Province, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 3. MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China）

To study the settlement deformation characteristics of high embankments during the dynamic filling process, nonlinear finite element numerical simulation was used to compare and analyze the foundation settlement, embankment settlement, and lateral displacement of the foundation section at the foot of the slope. The influence of lightweight filler material and increasing compaction on settlement deformation was also studied. The study found that high embankment body load cannot be ignored in the entire process of layered embankment filling. Compression deformation and foundation settlement of the embankment body can be significantly reduced and the application of lightweight packing should be taken into consideration. As the degree of compaction increased, the elastic modulus of the embankment soil increased by a factor of 2 and the settlement of high embankment subgrade decreased by 16. 9 %, whereas the settlement of the foundation surface and lateral displacement of the foundation section at the foot of the slope were not significantly affected.

high embankment; dynamic construction; numerical simulation; settlement deformation characteristics; lightweight filler; compaction degree

U416.1

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2020.01.008

1672-4747（2020）01-0061-08

2019-04-04

四川省科技计划资助项目（2019YFS0492）；国家自然科学基金资助项目（51378440）

刘美芳（1985—），女，西南交通大学土木工程学院博士研究生，研究方向：道路工程路基路面方向，E-mail：meifang621 @163.com

蒋鑫（1976—），男，教授，博士，从事道路路基路面工程教学科研，E-mail：xjiang@163.com

刘美芳，蒋鑫，陈晓丽，等. 考虑分层填筑的高路堤沉降变形特性分析[J]. 交通运输工程与信息学报，2020，18（1）：61-67, 76.

（责任编辑：刘娉婷）