软岩填筑路基在外部因素影响下沉降变形作用机理分析

马 耀 先

(四川盛唐建设工程有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

云贵高原山区地质条件复杂，区域内泥质粉砂岩夹泥岩分布广泛，这些泥质粉砂岩属于软质岩块[1-2]。在云贵高原修建公路[3]，因当地属高山峡谷地形，不可避免会遇到逢山挖隧洞、遇谷筑路堤的情况，且挖、填方量巨大，若将工程削坡、弃渣产生的泥质粉砂岩用作路基填料，可大量减少资源的浪费和建设成本，并保护当地的生态坏境。通过文献调研发现[4-8]，在不同填筑高度和不同上部荷载作用下，路堤变形沉降存在一定的规律[9-10]。因此，相关人员开展了云贵高原山区软岩填筑路基施工关键技术研究并取得成功，对环境保护和降低投资成本具有重要意义。

1 有限元模型建立

1.1 模型尺寸

本项目位于贵州省西南部，途径乌蒙山脉东南侧边缘山区。沿线地层较为复杂，岩性组合多样，为了方便模型的建立与统一，取项目软岩填筑路基工程处理设计图为基本模型。

依据现场实测数据确定模型基本参数，构建简化的原尺寸模型。路基模型分三种，其宽、高分别是24.5 m、16 m，24.5 m、20 m和24.5 m、24 m。分三级进行放坡，其中坡率分别是1∶1.5和1∶1.75。分层填筑路基，路基深度为35 m，压缩层有效宽度为40 m。

1.2 有限元模型参数

根据现场实测数据，由于路堤纵向沉降基本一致，将模型简化为二维平面应变问题。由于Plaxis程序对土体固结渗流计算模块的变形和稳定性分析有其独到之处，使用其程序中的三角形单元进行建模。模型的两侧为不透水边界，以水平速度为零控制水平位移，底部边界条件为透水边界，设置铰链约束。采用摩尔-库伦本构模型进行数值计算，路基横断面模型如图1。

摩尔-库伦强度准则为：

τ=σtanφ+c

式中τ为剪刀应力；σ为垂直；φ为内摩擦角；c为黏聚力。

根据地勘资料，路基由下到上是强与中风化泥质粉砂岩各15 m，粉质黏土5 m。路堤填料由下到上分别是灰石渣0.8 m、粉质黏土2 m，剩余部分全部填筑强、中风化泥质粉砂岩。模型水位取在地面以下5 m处，根据现场实验以及现场施工情况，地基压实度不小于90%，取压实度90%时的填土力学参数进行模拟试验(表1)。

表1 取压实度90%时的填土力学参数进行模拟试验表

2 沉降变形作用机理分析

本文针对软岩填筑路堤以及在不同高度、不同上部荷载情况下进行了分析研究。

2.1 在不同施工进度情况下的沉降变形分析

2.1.1 沉降规律

在Plaxis中我们可以看到填筑每一步的过程和其沉降情况，计算所得路基沉降变形网格图见图2。

图2 路基沉降变形网格图

为了分析填土高度增加对地基表面沉降的影响，在路基表面处从中点开始设置了10个监测点，所得监测数据绘制沉降曲线如图3。

图3 监测数据绘制沉降曲线图

在筑路完成后，路堤的沉降主要是由重力及其附属作用引起的，可以大致分为两部分，一是由重力本身引起的沉降压缩变形，一是边坡在重力作用下，向临空面出现侧向滑移引发的沉降变形[11-12]。

由图2可知，路堤修建后，沉降值在路基表面中心大，向两侧减小，表面呈现凹形。坡脚向外侧位移，而沉降后路堤表面宽度减少，整体呈收缩状态。从竖向来看，沉降与深度成负相关，深度越小沉降越大，在路堤表面中心出现最大沉降。从横向看，越往中部沉降越大。路肩处水平位移随深度的增加，先增加到最大值后，逐渐减小，中间出现两个零水平位移点，分别是路基表面附近和路基深部，填土表面水平位移出现负值和路堤底面侧向挤出现象。

当填筑完成后，土体有往两边滑动的趋势，并且在坡脚的位置有比较明显的水平位移。主要沉降还是集中在路堤顶面中心处。

从图3中我们可以更加清楚地看到，当填筑高度从3 m增加到16 m，路基中心沉降最大值与路基高度成正相关；增长速率随填筑高度的增加，逐渐递减；路基整体横断面沉降值也由均匀沉降向不均匀沉降过度。

相对剪应力比是当前土体最大剪应力与土体破坏的控制性最大剪应力的比值，相对剪应力比值越接近1，土体的安全储存便越小，土体越容易出现破环。

通过对在不同路堤填土高度情况下相对剪应力比的结果分析发现，随着路堤填土高度从3 m增加到16 m，相对剪应力比逐渐增加，土体安全储存逐渐减小，且以路堤高度为11～14 m为分界区域，填土稳定性不断减小，土体由安全逐渐向危险方向发展。当路堤填土高度达到14 m时，出现土体相对剪应力大量积聚达到极限值状态，导致土体由弹性向塑性转化；若继续增加路堤高度，塑性区将会以这一范围为中心扩散，使土体安全储存降低。同时，我们发现在相同路基高度模型中，边坡坡脚处相对剪应力比而言，其余部分较早达到极限值1，表明该处土体更易发生破坏。

2.1.2 作用机制

由上述分析可以看出，沉降主要集中在路堤顶面，是因为路堤顶部土体在重力作用下下沉，在中部往下挤压，向路堤两侧临空面产生挤出趋势，由于土体抗拉强度很低，在底面出现水平向拉应力导致侧向挤出位移增大，达到峰值后减小。并且随着填土高度的增加，由于坡度的影响，填土集中在中部，引起的沉降也就在中部更大。水平位移也是因为沉降集中在路堤中部，上部的土体有往中间挤压的趋势，下部土体被挤向两侧。

2.2 在不同上部荷载作用下路基沉降变形

2.2.1 沉降规律

对基本模型施加不同荷载，进行90天的静载试验。分别施加每延米50 kN、100 kN、150 kN、200 kN、250 kN、300 kN的荷载，待其变形稳定后进行分析。

随着施加的上部荷载从50 kN/m增加到300 kN/m，路基表面中心的最大沉降量也从76 mm迅速增大到150 mm。同时，坡脚向着临空面移动，水平位移逐渐增大，侧滑的趋势愈加明显。在外加荷载和自重的共同作用下，沉降主要发生在中上部，挤压中部，在泊松效应下，向两侧进行挤压，出现滑移。

在路堤中线处设置了10个监测点，用于监测中线处沉降值，根据所监测的不同荷载下路堤中线沉降见图4。

图4 不同荷载下路堤中线沉降图

从图4可以看出，外加荷载对路堤沉降数值有一定影响，但总的沉降变化规律基本不受影响，都是随着深度的增大，沉降量逐渐降低，最后到路基表面接近零沉降。沉降变化速率也是中间大，两头小。

通过对不同荷载下相对剪应力进行对比发现，路堤中部和路基以下出现大量能量积聚区域，在这一范围内的土体相对剪应力比更易达到极限值1，并且随着荷载增大，这一范围逐渐由路堤中心向四周扩散，在坡脚处达到相对剪应力比极限值的范围也在扩大，并且向路堤中心靠拢。这种现象表明了整个路堤、路基随着荷载增大，大部分土体达到其弹性变形能力极限状态，进入弹塑性变形阶段，容易发生土体破坏。

2.2.2 作用机制

本文是用均布荷载来模拟交通荷载，在高填方路基中，大部分沉降都是由自重应力作用而产生；最大沉降值与外加荷载成正相关。在外加荷载达到300 kN/m时，土体的承载力达到极限，最大沉降值突然大幅度增加。

在路基表层处沉降值的突变，则是由路基与路堤填料压实度有所区别所引起的物理力学性质不同。路基经过处理后，土体的物理力学性质相对提高，从而在交接处出现沉降值不均匀的变化。

3 结 语

本文利用Plaxis程序，通过数值建模方法对软岩填筑路基进行模拟，对在不同高度、不同荷载作用下的路基沉降变形进行分析，得出以下结论:

(1)分级施加上部荷载，路基沉降与上部荷载成正相关；随着上部荷载的增加，相对剪应力比接近极限值1的土体范围随之增大，使越来越多的土体进入塑性阶段，路基沉降幅度增大。因此，路堤填筑时上部荷载不宜过大，在不失去填料承载能力的情况下，增加上部荷载也能达到减小施工后沉降量的效果。

(2)在路基高度相同的模型中，坡脚处土体与其余部分相比，其相对剪应力比较早达到极限值1，表明该处土体更易发生破坏。

(3)随着路堤高度增加，沉降量增大，因此，在施工期间减小每层填筑高度，分层施工高度越小越能保证压实填筑效果，能够有效减少工后沉降量。