路堤分层填筑对红黏土地基位移影响分析

2021-12-22刘建海

四川水泥 2021年12期

刘建海

（云南省铁路集团有限公司，云南昆明 650118）

0 引言

公路建设中地基条件对于路堤填筑有重要影响，对于一般性质的岩土地基，路堤可以直接进行填筑；而对于特殊性质岩土类型的地基，路堤填筑之前需要对地基进行工程加固处理。其中红黏土地基是特殊岩土地基的一种，红黏土在我国西南地区分布较为广泛，主要集中分布于云南、广西及贵州三省[1]。目前国内学者对于红黏土在公路建设中的影响进行了许多研究：秦阳[2]以贵州某高速公路红黏土填筑路基为研究对象，利用有限元软件研究了不同填筑速率对红黏土路基土体含水率及路堤边坡稳定性的影响；杨华中[3]对红黏土路基填土不同的改良方法进行了论述；易剑波[4]通过对压实机械、压实遍数控制，以及通过采用级配碎石改良红黏土路基的方法提高了红黏土路基填筑的工程质量；曾帅[5]等通过研究提出一种新型改良剂对红黏土路基在干湿循环过程中的路用性能有重要提升作用；王有昌等[6]研究了降雨条件下半填半挖红黏土路基土体的含水率及孔隙水压力变化；肖庆一等[7]分析了利用石灰改良红黏土路基路用性能的重要作用；宋远明[8]通过研究水分迁移对红黏土路基的危害提出了一种可防治红黏土路基软化的措施。

红黏土在我国西南地区分布广泛，且在公路建设中路基填筑往往占比较大，通过上述分析目前对于红黏土的研究主要在于对填土本身的工程性质研究，而对于红黏土地基条件下路基填筑的沉降变形分析研究较少，因此本文着重分析在红黏土地基条件下路堤填筑沉降及变形分析。

1 工程概况及模型构建

研究工程为云南某在建公路填方段，通过地勘资料分析，该段地基为深厚红黏土层，路基填料采用碎石土填筑。模型构建主要依据设计提供的断面图纸以及地勘提供的地层资料，利用犀牛软件进行立体网格构建并导入专业岩土有限差分软件FLAC 3D 中，构建好的模型如图1 所示。模型地基为红黏土层，路堤填土分为三层，从下往上分别为：第一层填土、第二层填土以及第三层填土，第一层填土路堤外侧为挡土墙。整个模型由55610 个单元及10962 个节点组成，红黏土地基层网格大小设置为越靠近填土网格越小，有利于分析填土对地基影响的精度。

图1 路堤模型

2 路堤填筑模拟

要较为准确地模拟岩土变形等工程问题，数值模拟中选取合适的岩土本构模型至关重要。本次模型采用塑性模型组中的莫尔-库仑模型（Mohr-Cou1omb Mode1）计算分析，属理想弹塑性模型，而支护结构物浆砌片石挡土墙采用弹性本构模型。本次模拟计算尽量还原路基真实的边界约束情况，最小程度减少人为边界因素引起的计算误差，避免计算结果失真，因此采用位移边界约束条件。对模型的四个侧向边界固定其法向约束，路堤及挡墙临空面设置为自由边界；红黏土底面边界固定了X、Y、Z 三个方向的约束，不允许产生位移。模拟计算中忽略路堤的路基地层在过去的地质历史中经历的各种动力运动产生的构造应力，只考虑地基及路基填土自重应力场作用下的位移和应力响应行为。

按照施工顺序，模拟采用先施工挡墙、第一层填土填筑、第二层填土填筑、第三层填土填筑的顺序进行模拟加载，对路基填筑进行模拟计算，并对路堤填土层及红黏土地基层的位移应力进行检测，其中各土层以及浆砌挡墙的物理力学参数取值，如表1 所示。

表1 岩土层及结构物参数表

模拟计算中在黏土层设置3 个监测位置点，分别监测在不同填筑施工阶段中路堤填土对地基的影响，监测位置如图2 所示。在填筑中采用2 种不同的填筑方式。方式一：路堤每层填筑后，不进行位移及速度清零随即进行下一层填筑，直至路堤填筑达到设计标高。该方式主要模拟实际施工过程中填筑速度较快的填筑方式。方式二：路堤每层填筑后，对上一层土体产生的位移及速度清除后再进行下一层填筑，最终达到路堤填筑设计标高，该方式主要模拟实际施工过程中，填筑速度较慢的填筑方式。

图2 监测点位置

3 沉降变形分析

通过模拟计算可得：在2 种不同的填筑方式下，黏土层设置的3个监测点得到的位移值显著不同，如图3 所示。从图中分析可以得出：

（1）3 个监测点中位置越低，土体位移值越大。如填筑方式一中位移最大值为1#监测点；填筑方式二中同样位移值最大的点为1#监测点；这主要是由于1#监测点上路基填土高度最大，因此位移值也最大。

（2）在两种不同的填筑方式中，填筑方式一产生的对红黏土地基位移总是大于填筑方式二对红黏土地基土体的位移；这主要是由于填筑方式1 每层填筑的间隔时间较短，土体在自重作用下的沉积没有作用完全，因此导致黏土地基土体产生的位移是各土层自重力之和产生的作用力之和，而填筑方式2 每层填筑的时间间隔较长，各层土体在填筑后自重作用下的沉积已经作用完全，因此最终黏土地基土体的位移值要小。