车辆荷载对不同压实度黏土路堤沉降的影响

朱分清， 陈 群

(1.中铁二院工程集团有限责任公司公路与市政设计研究院， 成都 610083； 2.四川大学水利水电学院水力学与山区河流开发保护国家重点实验室， 成都 610065)

填方路基即路堤在公路工程中较为普遍，路堤的沉降变形将导致路基路面病害的衍生，进而影响行车安全及舒适性，严重时甚至出现路基塌方等严重病害，危及道路的使用安全[1]。目前，很多学者通过理论研究、数值模拟、模型试验等方法对填方路基的变形进行了研究。张幸幸等[2]基于等价黏弹塑性模型理论，提出了可预测长期交通荷载作用下路基沉降的方法。关振长等[3]针对某陡坡高填路堤采用BBM(Barcelona basic model)本构模型对其分层沉降特性展开数值模拟，为路堤的沉降计算及工程设计提供参考。吴毅翔[4]根据软基处理工程中固结变形特性，得到高速公路工前和工后考虑荷载影响的软基沉降计算公式。王建军等[5]研究表明，考虑应力扩散的三参数Kerr 弹性地基模型模拟能更加准确地模拟低填方加筋路堤的沉降。郑栋等[6]提出了基于贝叶斯理论的多源信息融合方法进行路堤沉降预测。尹紫红等[7]通过数值模拟软土路基上路堤的分层填筑，得出路堤中线地表处的沉降量最大、向两侧逐渐减小的规律。吴福宝[8]使用分层沉降仪监测某高填方路堤的工后沉降，并用ANSYS有限元软件开展了不同压实度下路堤工后沉降量分析。孙锴等[9]利用FLAC3D软件研究了在不同压实度和填筑高度下路堤模型的竖向沉降、水平位移及其变化规律。蒋中明等[10]应用显式动力有限元法，充分考虑地基土的弹塑性特性，针对车辆单次及反复加载作用下路基结构的累积竖向变形进行了分析和探讨。崔兵等[11]设计并制作了低路堤软黏土地基模型，通过试验获得了低路堤软黏土地基在交通荷载作用下的动力特性发展规律。

目前，对于车辆荷载工况下路堤填土沉降变形和压实特性方面的研究成果不多，且黏土的压缩性较大，黏土填方在车辆荷载作用下的变形关系到路基的安全和正常运营。为此，以某高速公路填方黏土路堤(图1)为研究对象，采用GeoStudio有限元软件开展路堤施工和运行的数值模拟，研究车辆荷载对不同压实度路堤沉降的影响，为施工期和运营期黏土填方路堤的沉降和压实度控制提供参考。

图1 现场黏土路堤填筑照片Fig.1 Photos of on-site clay embankment filling

1 计算方法

1.1 计算软件及计算模型

为了获得在行车荷载作用下路堤沉降的变化规律，采用GeoStudio有限元软件模拟路堤在填筑过程中以及荷载作用下的变形。该段地层从上至下依次为坡积黏土(厚3 m)、残积黏土(厚9 m)、基岩，基岩的沉降基本为零，故有限元计算时不考虑基岩的变形。假定路堤填筑高度为8 m，顶宽26 m，边坡坡率按规范取为1∶1.5。计算模型如图2所示。

图2 高8 m路堤计算模型Fig.2 Simulation model of 8 m high embankment

根据地勘资料，该段地下水埋深较浅，位于地表下2 m，路堤计算模型的土体构成为路堤填筑土和地基的坡、残积黏土。模型顶面为自由排水面，模型下部为基岩面，假定为不透水边界，地下水位以下的边界设置为已知水头。模型的边界约束条件为：底部水平和竖直方向都受到位移约束，而两侧只受到水平方向位移约束。每层路堤表面的重车荷载以及路堤顶面的行车荷载都采用均布应力边界条件施加。

1.2 本构模型

摩尔-库伦本构模型是理想的弹塑性模型，由于参数较少，其破坏准则能较好地模拟土体的破坏特征，因此在岩土工程中运用广泛。路堤填筑黏土的模拟采用摩尔-库伦本构模型。考虑到地基土的模量会随深度的增大而增大，故对地基坡、残积黏土采用模量随竖向应力增大而增大的非线性弹塑性本构模型[12]。

2 计算方案及参数

2.1 计算方案

考虑施工过程中的重车及公路通车运营后行车荷载对路堤填土变形影响，采用填高8 m、压实度为85%、90%和93%的路堤分别进行分析。拟定如下3个计算方案。

方案1施工期仅考虑路堤填土自重作用。路堤每填筑1 m作为一个模拟分层，工程实际分层厚度为0.3～0.4 m，每个模拟层对应实际的3个填筑层。若实际每天填筑一层，则每层的模拟填筑时间为3 d，再继续固结2 d，则8 m高的路堤总填筑工期为40 d。

方案2施工过程中重载车辆对路堤沉降变形的影响。假设每填筑1 m路堤，重车压实0.5 d，再固结1.5 d，总工期与方案1相同。重车按55 t考虑，将其最重的后轮荷载140 kN均布到路堤4 m宽的一个行车道上，可得均布荷载强度为35 kPa。因施工临时过车并非整个路面都同时受荷，对作用面积和时间折减后，采用20 kPa的均布荷载模拟重车荷载。

方案3道路运营后行车荷载对沉降变形的影响。当路堤竣工后(不考虑施工期重车荷载)，在路堤顶面两边除应急车道外的路面范围施加20 kPa的均布荷载，研究行车荷载的作用对于路堤沉降的影响。本次计算分析采用的3种压实度的路堤填土所对应的填筑干密度及最大干密度值如表1所示。

2.2 计算参数

计算参数的选择直接影响分析的结果，地基为坡积黏土和残积黏土，其参数来源于该高速公路项目的地勘报告；由于当地缺乏粗粒填筑料，路堤填筑土采用当地开挖的黏土，其参数通过室内土工试验取得。3种不同压实度的路堤填筑黏土及地基坡、残积黏土的各个计算参数如表2所示。

3 结果和分析

3.1 竣工时重车荷载作用下路堤的沉降规律

图3为无重车荷载作用竣工时不同压实度填土路堤沉降量等值线图。可以看出，尽管填土路堤的压实度不同，但3种情况下竣工后路堤堤身沉降量的分布规律基本相同，其最大值均出现在路堤轴线附近，且距离路堤基底约1/4堤高处。因为地基的沉降量较大，致使路堤堤身发生最大沉降量的位置下移。另外，随着填土压实度的增大，地基的最大沉降量也略微增大。这是由于地基较厚，压实度较大的填土自重应力较大，造成更大的地基沉降量。

图4为有重车荷载作用竣工时不同压实度填土路堤沉降量等值线图。有重车作用时，沉降量最大值出现的位置都稍高于无重车的情况。随着填土压实度的增大，竣工时路堤的沉降量等值线最大值范围略微减小。地基中沉降量等值线的分布随压实度的变化无明显差异。

表3列出了各种情况下路堤和地基的最大沉降量值。图5为竣工时路堤的最大沉降量随压实度的变化曲线。3种不同的压实度情况下，施工过程中受重车荷载的路堤竣工时的最大沉降量为50.27～51.56 cm，较无重车荷载的25.35 ～28.06 cm增大80.8%～103.4%。说明施工期的重车荷载会加速路堤的固结沉降。

图3 无重车荷载竣工时不同压实度路堤沉降量等值线图Fig.3 Settlement contours of embankment with different compaction degree at completion without heavy vehicle load

图4 有重车荷载竣工时不同压实度路堤沉降量等值线图Fig.4 Settlement contours of embankment with different compaction degree at completion with heavy vehicle load

表2 路堤填土和地基土的计算参数

表3 路堤及地基的最大沉降量值

图5 竣工时路堤最大沉降量随填土压实度的变化Fig.5 Change in maximum settlement with compaction degree of embankment at completion

有无重车荷载作用时，竣工时路堤最大沉降量随压实度变化而变化的规律不同。无重车荷载时，最大沉降量随压实度的增大而略有增大，由表3中数据可知，压实度93%的路堤的最大沉降量比压实度85%的路堤增大10.7%。这是因为填土的压实度越大，自重应力就越大，引起的地基沉降就更大，故竣工时路堤的最大沉降量受地基变形的影响更大。有重车荷载时，最大沉降量随压实度的增大而略有减小，压实度93%的路堤的最大沉降量比压实度85%的减小1.6%。说明施工期的重车荷载主要作用于路堤本身，对地基的作用较小，因此，压实度较大的路堤最大沉降量较小。重车荷载作用下，路堤填土压实度越大，最大沉降量的增量就越小，说明路堤填土越密实，其沉降受重车荷载的影响就越小。

图6 竣工时堤身最大相对沉降量随填土压实度的变化Fig.6 Change in maximum relative settlement with compaction degree of embankment itself at completion

图6为施工期堤身的最大相对沉降量随填土压实度的变化曲线。最大相对沉降量为扣除地基表面沉降量后路堤本身的最大沉降量。各种压实度情况下，受重车荷载的路堤竣工时堤身的最大相对沉降量为4.39～6.09 cm，较无重车荷载的1.95～2.31 cm，增大125.1%～163.6%。受重车荷载的路堤竣工时堤身的最大相对沉降量都随压实度的增大而减小。这是因为压实度越大，填土越硬，因此堤身的沉降量越小，最大沉降量也就越小。有重车荷载时，最大相对沉降量随压实度的减小比无重车时更明显，重车荷载产生的沉降增量随压实度的增大略微减小，这是由于压实度小的填土更松散，对重车荷载的作用更敏感。对比图5和图6可知，堤身的沉降量占总沉降量的比例很小，这是因为路堤之下的地基较厚，总沉降量的大部分是地基的沉降。并且重车荷载对堤身沉降的影响大于对地基沉降的影响。

3.2 运营期行车荷载作用下路堤的沉降规律

图7为运营期行车荷载下不同压实度填土路堤沉降量等值线图。可知，尽管压实度不同，但3种情况下运营期路堤堤身沉降量的分布规律基本相同，其最大值均出现在路堤轴线附近，距离路堤基底约1/3堤高处，且填土压实度越大，沉降量越小。

图7 运营期行车荷载作用下不同压实度路堤沉降量 等值线图Fig.7 Settlement contours of embankment with different compaction degree in operation period with traffic load

图8为运营期路堤的最大沉降量随压实度的变化曲线。由表3和图8可知，行车荷载作用后路堤的最大沉降量达到33.24～34.68 cm，比竣工时增大6.62～7.89 cm，增量达23.6%～31.1%。行车荷载作用后路堤的最大沉降量随压实度的增大而略有增大。这是因为路堤的自重荷载大于行车荷载，压实度较大的路堤自重较大，故造成地基沉降量也较大。压实度越大，路堤最大沉降量增量越小，压实度93%的路堤的行车沉降增量比压实度85%的减小16.1%。说明行车荷载对路堤沉降量的影响随着填土压实度的增大而减小。

图9为运营期堤身的最大相对沉降量随压实度的变化曲线。可知，各种压实度情况下，行车荷载作用后堤身的最大相对沉降量达到2.48～4.01 cm，比竣工时增大0.5～1.7 cm，增量达27.2%～73.6%。行车荷载作用前、后堤身的最大相对沉降量都随压实度的增大而减小。原因是压实度越大，填土越硬，因此堤身的压缩量明显越小。说明行车荷载对堤身压缩量的影响随压实度的增大而减小。对比图8与图9可知，行车荷载对单位厚度路堤填土的压缩量影响大于对单位厚度地基沉降量的影响。

由表3中数据可知，竣工时无行车荷载作用下，随压实度的增大，路堤最大沉降量从25.35 cm增大至28.06 cm，增大10.7%(主要源于地基变形)；堤身最大相对沉降量从2.31 cm减小至1.95 cm，减小15.6%。运营期有行车荷载作用下，路堤最大沉降量随压实度的增大从33.24 cm增大至34.68 cm，增大4.3%；堤身最大相对沉降量从4.01 cm减小至2.48 cm，减小38.2%。对比前面的分析可知，行车荷载对路堤本身沉降量的影响大于对地基沉降量的影响。这是因为行车荷载对路堤沉降的影响分为两部分，一是对地基的压缩，二是对路堤本身的压缩。荷载直接作用于路堤，对路堤的作用效应远大于对地基的作用。而压实度的增大一方面造成路堤本身压缩量的减小，同时，由于密度的增大会给地基施加更大的压力而造成更大的地基沉降。

图8 运营期路堤的最大沉降量随填土压实度的变化Fig.8 Change in maximum settlement with compaction degree of embankment in operation period

图9 运营期堤身最大相对沉降量随填土压实度的变化Fig.9 Change in maximum relative settlement with compaction degree of embankment itself in operation period

4 结论

通过对某高速公路地基上的黏土填方路堤在施工期重车荷载以及运营期行车荷载作用下路堤变形的有限元数值模拟分析，得出以下结论。

(1)对于不同压实度的路堤，施工过程中的重车荷载作用使路堤的沉降量增大80.8%～103.4%，有利于路堤的固结沉降。重车荷载对路堤总沉降量和堤身相对沉降量的影响都随压实度的增大而减小。且重车荷载对堤身沉降的影响大于对地基沉降的影响。

(2)运营期行车荷载作用后路堤的沉降量和堤身的压缩量都增大。路堤最大沉降量和堤身最大相对沉降量增量分别为23.6%～31.1%和27.2%～73.6%。行车荷载引起的最大沉降量和堤身最大相对沉降量增量都随压实度的增大而减小。

(3)路堤压实度越大，车辆荷载对路堤沉降的影响越小，且对堤身沉降的影响大于对地基的影响。