自密实水泥土拼宽路堤沉降与稳定性研究

叶至韬，高玉峰，王昕远，周云东*

(1.河海大学 岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏 南京 210098；2.河海大学 岩土工程科学研究所，江苏 南京 210098；3.江苏纬信工程咨询有限公司，江苏 南京 210014)

近年来，随着国民经济的高速发展，现有大量已建成公路难以满足交通量增长和社会发展的需求，所以老、旧道路拓宽扩建工程在公路建设中已成为重中之重[1]。同时，地下空间开发利用的热度持续上升，大量工程弃土的处置缺乏规划和实施计划[2]，不仅造成土地资源的浪费，影响城市形象，还会造成运输和存储成本的浪费。水泥土作为一种土、水泥、固化剂和水拌和后形成的工程材料，具有良好的力学性能，广泛应用于公路工程及其它工程的地基处理[3-5]，现有水泥土搅拌加固技术基本成熟，但在填筑工程中，由于施工条件复杂、施工限制因素多，回填质量不易控制，所以鲜有应用[6]。自密实水泥土是通过改良配合比和控制坍落度，利用工程弃土作为原料土，通过特殊机械进行充分搅拌形成的具有一定流动性的回填材料，拌和初期呈流动状态，填筑施工时无需碾压，施工速度快，受现场条件及施工人员因素影响较小，因此，应用自密实水泥土作为路堤拼宽工程中新路堤填料，在城市弃土资源化利用中具有突出的效益优势。

在路堤拼宽工程中，新老路堤在填筑时间以及受荷情况等方面的差异，导致它们沉降变形的差异, 这种差异沉降将诱发道路病害的发生[7-10]，铺设土工格栅是一种减小不均匀沉降的行之有效的措施[11-12]。本文结合某路堤拼宽工程实例，选取现场弃土为原料进行自密式水泥土室内试验，并采用Plaxis2D软件对自密实水泥土拼宽路堤沉降和稳定性进行数值模拟分析，分析了新路堤坡率、是否铺设土工格栅对其的影响，为设计和施工提供科学的参考依据。

1 工程概况

图1 路堤拼宽工程二维结构图(单位：m)Fig.1 Structure of embankment widening

全线勘探40 m深度范围内，据钻探编录鉴别和标准贯入试验及室内土工试验资料分析，地基土可分为5个工程地质层。各工程地质层埋藏分布条件及主要物理力学指标描述如表1。

表1 主要土层物理力学指标表

2 室内试验内容与结果

2.1 试验内容

根据岩土工程勘察报告，本工程的代表性开挖弃土主要以素填土为主，并就近选用地下工程弃土作为补充，室内配比试验选用这两种土混合作为原料土，原料土的天然含水率在31.6%左右，孔隙比1.29，重度18.9 kN/m3。配比试验使用42.5级普通硅酸盐水泥。

室内试验时先根据原料土的用量称量一定量的水泥调成水泥浆液，再将水泥浆液和原料土用搅拌器充分搅拌均匀。水泥掺入量按8%、10%控制、养护龄期按7、14、28 d控制，测试不同配比水泥土的强度、抗变形能力等力学性能指标，以及自密水泥土的流动性和渗透性，最后得出供现场施工使用的合适配比。

2.2 试验结果

2.2.1 自密实水泥土的流动性

自密实水泥土应用的时间较短，目前没有衡量其流动性的专用指标，目前实践中均采用混凝土的坍落度指标来评价其流动性。选用80、120、150、200 mm四种坍落度，经过室内多次试验，最终得出的配比见表2。

表2 自密实水泥土坍落度配比表

由表2可以看出，水泥土的流动性和水泥土的初始含水率正相关，含水率高则流动性强。在实际泵送试验过程中，过高的含水率会对其强度造成影响，过低的含水率又会影响水泥土的流动性，导致填筑时达不到自密实的效果，因此在满足施工要求及填筑自密性的前提下应尽可能采用低的流动性以提高固化后的强度及抗变形能力。

根据试验结果，本项目现场填筑时拟采用10%水泥掺量、120 mm坍落度的水泥土进行，以保证水泥土固化后的高强度及良好的自密性。

奥地利心理分析学家弗洛伊德根据古希腊神话中俄狄浦斯杀父娶母故事的分析以及他对于精神病患者的观察，提出“恋父情结”：女孩早期的性追求对象是其父亲，她总想占据母亲的位置，与自己的母亲争夺父亲的爱情。也就是恋父情结。弗洛伊德认为恋父情结是个人人格发展的一个重要因素，并用来解释文化与社会的起源。

2.2.2 自密实水泥土的无侧限抗压强度

无侧限抗压强度试验采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体试块进行，根据前述配比制样装入试验模中用保鲜膜覆盖，24 h后拆模放于温度(20±0.5)℃，相对湿度大于50%的养护箱中进行标准养护。养护至7、14、28 d龄期，进行无侧限抗压强度试验，检测结果见表3，变形模量结果见表4。

表3 自密实水泥土无侧限抗压强度表

表4 自密实水泥土变形模量表

拟采用的10%水泥掺量、120 mm坍落度，在施工完成后，水泥土无侧限抗压强度在0.48 MPa左右，变形模量大概为80 MPa。

2.2.3 自密实水泥土的渗透性

自密实水泥土的渗透性较低，可有效抵抗地下水对自密实水泥土自身的侵蚀，起到增强地下结构防渗效果的作用。在7 d龄期和28 d龄期时，对水泥掺量10%水泥掺量、120 mm坍落度的水泥土进行了渗透性测试，测试结果表明，7 d龄期试样渗透系数为6.71×10-7cm/s，28 d龄期试样渗透系数为4.90×10-7cm/s，自密实水泥土渗透性系数在10-7cm/s量级，渗透性极低。

3 有限元计算与结果分析

3.1 计算模型的建立

根据项目概况和工程初始勘察报告等相关资料，如图1建立二维简化有限元模型。路堤高度取3.5 m，原有路堤边坡坡率为1∶1.5，老路反开挖0.5 m，拼接处按原有坡率开挖台阶，台阶宽度1.5 m。拓宽侧坡率取1∶1.5、1∶1、1∶0.8、1∶0.5计算进行对比，在拓宽侧设置截面尺寸0.5 m×0.5 m的砌块限制水泥土流动并提供支护，参照《公路路基设计规范》JTG D30—2015[13]在反开挖面铺设土工格栅，对比不铺设情况，水泥土按照每层0.5 m厚度分层填筑。计算模型地基深度取60 m，计算宽度取100 m。

3.2 参数选取与基本假设

地基及路堤各土层的计算参数取自工程勘察报告，如表1所示。根据拟选用的自密实水泥土试验结果，变形模量取80 MPa，参照《建筑基坑支护技术规程》JGJ 120—2012[14]，水泥土的粘聚力取0.2～0.3倍无侧限抗压强度，内摩擦角为20°～30°，因此计算中粘聚力取值为100 kPa，内摩擦角取值为20°，泊松比取值为0.3。土体均采用Mohr-Coulomb理想弹塑性本构模型，以Mohr-Coulomb强度准则作为屈服准则。砌块采用线弹性模型，重度取24.0 kN/m3，变形模量取21.6 MPa，泊松比取0.2。土工格栅轴采用弹塑性模型，轴向刚度取值为500 kN/m，极限抗拉强度取值为100 kN/m。

假定模型左右边界无水平变形，只允许出现模型内部与上表面出现位移，模型底部边界无变形。

3.3 计算结果分析

沉降主要由自重和上部荷载所导致，老路堤完工已久, 自身变形已经基本完成，而新路堤工后填筑时间尚短，沉降量较大，导致新老路堤之间产生不均匀沉降，若不均匀沉降无法得到有效控制，则容易在拼接处产生纵向裂缝，导致路面病害。基于建立的数值计算模型，研究分析了拓宽侧坡率和铺设土工格栅对沉降以及稳定性的影响。

3.3.1 沉降对比

图2(a)云图展现了工后总沉降，由图可见沉降主要发生在新老路堤拼接位置，向路堤中部辐射，延伸至路堤中部，路堤边坡部位沉降小。图2(b)是工后差异沉降云图，通过图片可以发现差异沉降在新老路堤拼接处、新路堤坡脚处最明显，在新路堤拼接的作用下，老路堤的沉降稳定状态被破坏，产生附加沉降，但工后自身变形已经趋于稳定，荷载产生的沉降量较小，其整体差异不大，新路堤由自密实水泥土填筑而成，工后需要一定时间才能趋于稳定状态，较老路堤而言沉降大，所以不均匀沉降也最为明显。

图2 路堤沉降云图Fig.2 Nephofram of settlement of embankment

图3(a)反映了坡率、铺设土工格栅对完工后最大沉降的影响，不铺设土工格栅时沉降达到2.68～4.57 cm，铺设土工格栅后沉降量控制在2.55～3.87 cm范围，随着坡率变陡，沉降量随之增大，铺设土工格栅能够减小路堤沉降，坡率越陡效果越明显。图3(b)反映了坡率、铺设土工格栅对完工后差异沉降的影响，不铺设土工格栅时差异沉降在0.36～0.60 cm之间，铺设土工格栅后差异沉降在0.29～0.59 cm范围，差异沉降量与坡率并无明显关联，但铺设土工格栅对减小差异沉降发挥了作用，坡率越陡效果越明显。可以发现，采用自密实水泥土拼宽路堤能够控制沉降、不均匀沉降在很小的范围内，有良好的适用性。

图3 不同坡率时路堤的沉降Fig.3 Settlement of embankment under different slope ratio

3.3.2 稳定性分析

在新路堤填筑施工中，当底层施工完成至反开挖面后，铺设一层土工格栅，数值计算采用强度折减法计算自密实水泥土路堤安全系数。图4展示的是路堤破坏模式，从图上可以看出，破坏模式为基底破坏，无论铺设土工格栅与否，最危险滑动面均沿着新老路堤拼接处开展。

图4 路堤破坏模式Fig.4 Failure mode of embankment

图5反映了路堤边坡安全系数随着坡率的变化，坡率越陡，安全系数越小，在1∶1～1∶0.5坡率范围内，不铺设土工格栅时安全系数在1.00～1.25之间，坡率陡于1∶1时未达到规范《公路路基设计规范》JTG D30—2015[13]要求的1.15，铺设土工格栅后安全系数显著提升至1.19～1.55，提升率在120%～125%之间，可见铺设土工格栅能够显著提高路堤稳定性。

图5 不同坡率时路堤的安全系数Fig.5 Safety factor of embankment under different slope ratio

4 结论

1)自密实水泥土具有可靠、稳定的物理力学性质指标，拥有较高的强度及抗变形能力，低渗透性等特点，路堤拼宽工程项目拟采用的10%水泥掺量、120 mm坍落度的自密实水泥土无侧限抗压强度在0.48 MPa左右，变形模量可达80 MPa。特别是在空间受限，坡率较陡时有良好的适用性，值得推广。

2)采用自密实水泥土作为新路堤填料能够有效控制路堤沉降、不均匀沉降。坡率较缓时，铺设土工格栅对沉降的影响不大，坡率较陡时，铺设土工格栅对减小沉降与不均匀沉降效果明显。

3)自密实水泥土路堤有较高的安全系数，能够满足道路工程设计标准，无论铺设土工格栅与否，最危险滑动面均沿着新老路基拼接处向路堤基底开展，铺设土工格栅能够显著提高路堤的安全系数。在不铺设土工格栅情况下，建议设计坡率缓于1∶1，铺设土工格栅情况下，建议设计坡率缓于1∶0.5。