排水带加速黄土路基固结沉降的数值模拟研究

熊潭清

摘 要：【目的】路基填筑过程中产生的沉降及其工后沉降，将会直接影响工程施工质量、工期和后期维护费用。【方法】为探究排水带在三门峡黄土路基的作用效果，运用Settle 3D软件建立数值模型，分析自然、降雨工况下排水带间距对原状和重塑黄土路基固结沉降的影响。【结果】研究结果表明：降雨工况下的沉降量和沉降速率较自然工况下的大，这种现象在原状路基上最为明显；排水带能够显著加快黄土路基的沉降速率，其效果随着排水带间距的缩短而增强；排水带间距由8.0 m缩短为2.0 m时，排水带改善黄土路基的效果达到稳定，间距在0.5～2.0 m之间变化时，其改善效果并不明显。【结论】针对三门峡黄土路基工程，建议排水带间距可选择为2.0 m。

关键词：黄土；路基；排水带；Settle 3D

中图分类号：TU443                      文献标志码：A                 文章编号：1003-5168（2023）06-0053-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.06.010

Numerical Simulation Study on Drainage Belt Accelerating

Consolidation Settlement of Loess Subgrade

XIONG Tanqing

（North China University of Water Resources and Electric Power， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： [Purposes] The settlement generated during the subgrade filling process and its post-construction settlement will directly affect the construction quality， construction period and subsequent maintenance costs. [Methods] In order to explore the effect of drainage belt on Sanmenxia loess subgrade， a numerical model was established by using Settle 3D software to analyze the influence of drainage belt spacing on the consolidation settlement of undisturbed and remolded loess subgrade under natural and rainfall conditions. [Findings] The results show that the settlement and settlement rate under rainfall conditions are larger than those under natural conditions， and this phenomenon is most obvious on the undisturbed subgrade. Drainage belt can significantly accelerate the settlement rate of loess subgrade， and its effect increases with the shortening of drainage belt spacing. When the spacing of drainage belt is shortened from 8.0 m to 2.0 m， the effect of drainage belt on improving loess subgrade is stable， and the improvement effect is not obvious when the spacing is between 0.5 m and 2.0 m. [Conclusions] For the Sanmenxia loess subgrade project， it is recommended that the drainage belt spacing be 2.0 m.

Keywords： loess; subgrade; drainage belt; Settle 3D

0 引言

黃土在我国广泛分布，常作为天然建筑材料用于路基的填方工程中。然而黄土路基易受降雨等恶劣气候的影响，产生不均匀沉降、泥石流、滑坡、坍塌等工程问题［1-5］。近些年，黄土高填方越来越多地出现在高速公路工程建设中，其过大的沉降或不均匀沉降将会导致上部建筑物的开裂甚至倒塌。排水带作为一种加速地基排水的措施，因其快捷、经济，广泛应用在一些软土工程中。

现场试验研究中，李富强等［6］指出排水带能在较短时间（50 d）内使软土地基达到固结稳定的结论；赵辉等［7］指出使用排水板处理再进行堆载预压后的超软黏土在处理前后其主要的物理性质指标均有较大改善；Gui等［8］指出排水固结和预压联合法有利于加速路基排水固结，减少工后沉降。

有关数值模拟方面研究，李均宏［9］运用ABAQUS模拟排水带影响深度对软基的固结影响；Alielahi等［10］运用Settle 3D软件模拟排水带堆载预压技术改良地基性能的效果；Kazem等［11］指出如果Settle 3D软件中土的参数选择得当，能够合理估计沉降和固结时间。

国内外针对排水带对软土地基的加固研究较多，但针对黄土路基的研究较少。为了研究排水带在黄土路基中的可行性，本研究以国道G310三门峡西至豫陕界段南移新建工程为依托，通过试验获得其黄土路基的基本物理指标和模拟参数，依据土水特征曲线估测黄土非饱和渗透系数［12］，再运用Settle 3D软件模拟研究排水带对黄土路基固结的影响，以期为类似工程施工提供指导。

1 工程概况和土体试验参数

1.1 工程概况

国道G310三门峡西至豫陕界段南移新建工程是豫西地区沟通陕西省的重要通道，其路基工程包含黄土路基填筑工程。施工段起始桩号K134+300，终止桩号K173+193，全长约38 km。本研究选取典型的路堤K142+824～K143+089进行数值模拟分析。路基填筑高度为40 m，该工程进行分层填筑，每层均为2 m，考虑施工天气和人为因素影响，现模拟每层10 d填筑。其边坡坡率：当边坡距地面高h<8 m时，边坡坡度为26.57°；当8< h< 16 m时，边坡坡度为29.74°；当16

1.2 土体参数

通过室内试验获得施工段路基黄土的基本物理特性指标如表1所示，颗粒级配曲线如图1所示。由此可以判别该处路基黄土为级配良好的低液限粉质黄土［13］。

制备原状黄土和压实黄土试样（其中压实度为95%）进行固结压缩试验，得到原状和压实黄土的变形模拟参数，以此评价压实黄土的变形特性，并为Settle 3D数值模拟分析高填路基填筑不同时间的沉降提供试验数据。具体模拟参数如表2所示。由此可判断，原状黄土为高压缩性土，击实黄土为低压缩性土。

1.3 土体非饱和渗透系数的确定

非饱和土孔隙中不仅存在水相，还存有空气，在探究其渗透性时，一般假定水只能通过水的孔隙通道流动，无法通过占有空气的孔隙流动，其渗透系数一般较饱和土小很多［14］。目前获得非饱和渗透系数的方法有两种：直接法、间接法。直接法测量时间长，操作也比较复杂，因此我们采用间接法测量其非饱和土渗透系数。

本研究非饱和渗透模型采用的是Van Genuchten［15］于1980年根据统计学孔径分布理论提出的以有效饱和度来表示的形式，如公式（1）。

式中，k为非饱和渗透系数；ks为饱和渗透系数；l为经验参数，取0.5。

针对三门峡非饱和黄土的土水特性曲线描述，本研究采用Van Genuchten提出的土水特征曲線，如式（2）、式（3）。

式中，s为吸力；θ为含水量；θr为残余含水量；θs为饱和含水量；a为参数，kPa-1；n、m均为经验参数，其中n>1，m=1-1/n；Se为有效饱和度。

本研究通过渗透试验确定原状和压实状态下的黄土浸水条件下的饱和渗透系数。联合使用结合压力板法、滤纸法和蒸汽平衡法获得黄土原状和重塑的全吸力范围土水特征曲线。由于篇幅原因，在此不作细述。采用公式（2）（3）对所得特征曲线进行拟合，其拟合曲线和拟合结果如图2和表3所示。联合公式（1）（2）（3），最终得到渗透系数与吸力的关系，其结果如图3所示。其非饱和系数的确定如表4所示。

2 数值模拟

路堤本身采用黄土填方，本次模拟考虑路堤土体为原状黄土、压实黄土，其中以重塑土体室内试验参数来模拟现场施工的压实土。考虑自然、降雨条件两种气象工况下施工，以土体原状参数和完全浸水参数分别模拟实际现场的自然条件和极端的降雨条件。

参考《土工合成材料应用技术规范》（GB/T 50290—2014）［16］，本研究排水带宽设为100 mm，厚设为4 mm，插入地基深度设为20 m，按照等边三角形排列，布置范围比建筑物基础轮廓线范围大2 m，且铺设排水带时应在地基表面填筑一层厚度为400 mm的排水砂垫层，覆盖范围与排水带一致，本次模拟采用的排水带模拟参数见表5。每种工况下对不铺设排水带和铺设排水带进行模拟，排水带间距设有0.5 m、1.0 m、2.0 m、4.0 m、8.0 m五个间距。

张志军等［17］指出对于黄土高填方路基，沉降量最大的地方为路基中心位置，并且会沿中心线向两边沉降逐渐减小。故本研究选取的分析点为中心线上路基横截面与路基中心线在地表处的交点。

3 结果分析

各工况下的沉降量随时间的变化如图4所示，由图4（a）和（c）可知降雨工况下，原状路基的沉降量要远大于重塑路基的沉降量。这是因为原状黄土内部结构疏松且骨架孔隙大、湿陷性强，在浸水情况下会产生更大的沉降量，表现出较强的湿陷性［18］。故在工程施工时做好防、排水措施，避免高填方路基产生过量沉降。

由图4（b）和（d）可知自然条件下的路基沉降速率较慢，因此导致其工后沉降量相应较大，其中原状路基的沉降速率约为压实路基的11%，其工后沉降量更是占了总沉降量的90%以上。故在施工时应采取夯实措施来避免原状土施工，同时也应采用一些加固措施，加快其沉降速率，减少其工后沉降量。

由图4可知，排水带间距小的曲线位于较大的上方，不铺设排水带的曲线位于最下方，这说明铺设排水带能够加快其路基的沉降速率，其效果随排水带间距的增大而减弱。并且由图4（a）、4（c）、4（d）可知，当排水带间距由8.0 m缩短到2.0 m时，其加速路基固结沉降的效果越来越好，再缩短排水带间距其效果变化不大。说明当间距为2.0 m时其改善效果已趋于稳定，再缩短间距其改善效果得不到较大提升反而会增加工程量。然而由图4（b）可知，该工况下整体沉降速率较为缓慢，这是因为该工况下的渗透系数较小，其固结沉降速率也相应减小。这与刘忠玉等［19］指出的渗透系性会明显影响孔压的消散速率和沉降速率的规律相符。

由表6可知，当排水带间距为0.5 m时，在自然条件下，原状路基和重塑路基工后沉降量分别降低了70%、82%，在降雨工况下，其工后沉降量均减少了约91%；当间距设为1.0 m时，自然条件下原状、重塑路基工后沉降减少量分别降至45%、77%，降雨工况下均降至81%左右；当间距再增大为2.0 m时，加速效果明显下降，其自然条件下的原状、重塑路基和降雨条件下的原状、重塑路基的工后沉降减少量分别至17%、67%、69%、71%；当间距增大至4.0 m、8.0 m时，各工况下的工后沉降减少量均低于50%。综上所述，间距为2.0 m时，排水带改善黄土路基的效果已达稳定，且相较于间距为0.5 m的效果，除自然条件下原状路基工后沉降量降低了50%以外，其他工况下的效果均降低了20%左右，但其排水带的工程量却是0.5 m间距时的1/16。故选取2.0 m间距既能达到良好的加速效果又能够较大减少工程量，降低工程造价。

4 结论

①在降雨工况下，原状路基的沉降量要明显高于重塑路基的沉降量，自然工况下两者沉降量相差不大，因此在工程施工时需做好防、排水措施，避免路基产生过大沉降。

②在自然条件下，原状、重塑路基的沉降速率均较小，其中原状路基最严重，由其导致的工后沉降量甚至占据总沉降量的90%以上，故施工时应采用夯实措施来加固路基，避免使用原状黄土填筑，同时还应采用一定的排水措施来加速路基固结沉降。

③铺设排水带能明显加快其路基的沉降速率，其效果随着排水带间距的缩短而增强，当其间距缩短为2.0 m时，排水带改善黄土路基的效果已达稳定。综合考虑其经济效益和工程情况，建议该黄土路基工程的排水带间距选择2.0 m。

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