高速公路浸水路基沉降特性及力学响应

李皓，张永圣，刘建树

（1 山东建筑大学交通工程学院，山东 济南 250101；2 山东省公路桥梁建设集团有限公司，山东 济南 250102）

我国高速公路建设发展迅速，截至2021 年年底，高速公路总里程达到16.90 万公里，比2020 年增加8090 公里。我国降雨量东部多，西部少，雨量较多的地区公路常年处于湿润或者浸水状态[1]。浸水路基是指路基本体一侧或两侧经受长期或短期浸水的路基，浸水路基在水流侵蚀、软化等作用下路基会变得湿润，同时受浮脚水位上升、下降的影响，路基填料中细小颗粒流失，导致路基不稳定性增加，边缘崩溃，产生较大工程问题[2]。

目前，在高速公路建设中，路基会产生一定的沉降，浸水路基更容易产生差异沉降。国内众多学者对路基沉降机理和力学规律进行了研究，利用计算机软件，通过建立非饱和土路基沉降预测模型预测不同饱和度地区的路基沉降变化值[3]。通过ABAQUS 有限元数值模拟分析土岩组合地基及换填处理后地基沉降变形特性[4]，以及对软基不均匀沉降下的路堤沉降和力学响应进行分析[5]。通过现场监测及数值模拟相结合的方法分析路基在不同工况条件下结构层的受力变形特性[6]。高速公路设计速度大，路基产生的差异沉降威胁行车安全、缩短路面使用寿命，增加养护费用。

本研究以明村至董家口公路工程MDSG-2 合同段路基工程为依托，根据实体工况建立与明董高速项目填方地段浸水路基一致的有限元二维模型。通过数值模拟的方法对路基沉降、力学响应进行分析，研究浸水高度、路基高度、路基填料特性对其影响，为浸水路基实体工程设计与施工提供借鉴。

1 工程概况

文章以明村至董家口公路工程MDSG-2 合同段路基工程为例，该工程以农田、苗圃为主，地表水位较高（与原地表相对高差仅50～80cm），水系分散，自然水沟较多，汛期洪水量大，地表径流密布，多段路基为常年浸水路基。

2 有限元模型

2.1 模型概述

在前期充分调研基础上，确定浸水路基的基本设计方案，路基边坡为二级边坡，上下级边坡坡度均为1：1.5。依托明董高速实体工程，利用ABAQUS 有限元软件建立二维数值模型，模型包括路基与地基，地基高10m，路基高12m，均为粉质粘土。路基每级边坡路基高6m，总宽度为34.5m，路基底部宽81.5m。地基和路基均采用CPE4P 划分网格，模拟左侧水位循环升降，模拟工况为填筑后365d 浸水路基的模型。

2.2 模型参数

通过室内试验对明董高速MDSG-2 合同段浸水路基回填土基本性能进行测试，路基回填土最大干密度为2.02g/cm3，最佳含水率8.5%，液限29.4%，塑限16.2%，CBR5.6%，弹性模量51.5Mpa。

利用ABAQUS 中的Mohr-Coulomb 模型对路基及地基材料进行定义，对于渗流问题，考虑了渗透系数方程和土水特征曲线两个水力学参数[7]。在室内试验的基础上，参考相关文献确定路基及地基粉质粘土的材料参数，路基填料和粉质粘土最大干密度分别为2.02g/cm3和1.64g/cm3，弹性模量为51.5Mpa 和12.5Mpa，泊松比为0.35 和0.30，内摩擦角为16°和36°，膨胀角为10°和13°，渗透系数为1.000×10-4m/day和1.2×10-2m/day。

3 结果分析

3.1 浸水高度对路基沉降和力学响应的影响

建立浸水高度分别为0m、2m、4m 及6m 的路基模型，根据计算结果分析。由图1 可知：未浸水时路基沉降最小，沉降量为5.1～5.6cm；在沉降初始阶段，由于路基左侧浸水多，孔隙水压力较大，土体吸水膨胀，左端土体有所隆起，沉降值小于右侧，但是随着水位循环升降的不断进行，左端土体塑性应变逐渐累积，直到最后浸水2m、4m 及6m 时，浸水侧路基沉降分别达到6.5cm、7.3cm 及8.2cm，相比未浸水时沉降分别增加24%、43%及61%。由此可见，在水位循环升降工况下，浸水高度对路基沉降影响较大。浸水高度越大，路基沉降越大，并且浸水侧沉降大于未浸水侧沉降。在实际工程中，可将高速公路浸水一侧积水及时排出保障路基安全稳定。

图1 浸水高度对路基沉降的影响

未浸水时路基两侧竖向有效应力基本一致，浸水高度对竖向有效应力影响较大，浸水后，路基两侧竖向有效应力减小，浸水一侧降幅较大，未浸水一侧降幅较小。浸水高度越大，竖向有效应力越小，两侧竖向有效应力差越大。浸水后，浸水侧孔隙水压力显著增加，浸水高度对路基孔隙水压力影响较大，浸水高度越高，浸水侧孔隙水压力越大，两侧孔隙水压力差也越大。因此为保证高速公路整体安全性，应及时排出浸水一侧的积水。

综上所述，在水位循环升降工况下，浸水高度对路基沉降、竖向有效应力和孔隙水压力有显著影响。路基沉降、孔隙水压力呈现为浸水侧大、未浸水侧小。路基土竖向有效应力表现为浸水后降低，浸水一侧降幅大于未浸水一侧。其原因是随着浸水高度增加，水位差增大，土壤原有状态发生改变，物理力学性能退化。为保证高速公路安全稳定，需加强排水设施，加强浸水一侧路基防护。

3.2 路基高度对路基沉降和力学响应的影响

建立浸水高度6m，路基高度分别为8m、10m、12m、14m 及16m 的有限元模型，根据计算结果分析。路基高度分别为8m、10m、12m、14m 及16m 时，浸水侧沉降最大值分别为5.3cm、6.7cm、8.2cm、9.6cm 及10.9cm，路基高度越高，沉降越大，两侧差异沉降也越大，由此可见，路基高度对路基沉降影响较大。路基高度对竖向有效应力有一定影响，随着路基高度的增加，路基竖向有效应力增大，路基两侧竖向应力整体呈现出浸水侧小远侧大的趋势。路基高度是路基孔隙水压力的重要影响因素，随着路基高度的增加，浸水侧土体所受孔隙水压力逐渐减小，路基两侧孔隙水压力差不断减小，浸水侧孔隙水压力大，未浸水侧孔隙水压力小。

综上所述，在水位循环升降工况下，路基高度是影响浸水路基沉降、竖向有效应力及孔隙水压力的重要因素。其原因是是随着路基高度的增大，路基土体自身重量增加，土体有效应力增加，土体产生压缩变形增大。随着路基高度的增加，路基沉降增大，竖向有效应力增加，孔隙水压力减小。

3.3 路基土泊松比对路基沉降和力学响应的影响

建立浸水高度6m、路基高度12m、泊松比分别为0.15、0.2、0.25、0.3、0.35 的有限元模型，根据结果分析。随着泊松比从0.15 增加至0.35，沉降逐级减小0.1～0.2cm，两侧沉降差约为1.9cm，路基沉降随泊松比增大沉降减小，路基沉降整体规律呈现为浸水侧沉降大于未浸水侧。由此可见，泊松比对路基横向沉降有一定影响，但影响较小。不同泊松比竖向有效应力分布规律基本一致，随着泊松比增加，路基竖向有效应力稍微增加，但变化极小，泊松比对路基竖向有效应力改变影响较小。泊松比增加，孔隙水压力分布大小基本未变，泊松比对路基孔隙水压力基本无影响。

综上所述，水位循环升降工况下，泊松比改变对路基沉降有一定影响，对竖向有效应力影响较小，对孔隙水压力基本无影响。分析其原因是由于泊松比增大，路基土抵抗变形能力增加，在水侵蚀作用下路基产生的沉降减小。在实际工程中，高速公路浸水路基可提高土泊松比来保障浸水路基安全稳定。

3.4 路基回弹模量对路基沉降和力学响应的影响

建立浸水高度6m、路基高度12m、泊松比为0.35、回弹模量分别为20MPa、50MPa、80MPa 及120MPa 的有限元模型，根据结果分析。

回弹模量分别为20MPa、50MPa、80MPa 及120MPa 时，最大沉降分别为10.1cm、8.2cm、7.7cm 及7.4cm，最大沉降位置靠近浸水侧；回弹模量为20MPa时整体沉降最大，增至50MPa 时沉降明显减小，最大减小18.8%；回弹模量≥50MPa 后沉降减小但程度较低。由此可见，水位升降工况下，回弹模量是路基沉降的重要影响因素。回弹模量越大，沉降越小，浸水侧路基沉降大于未浸水侧路基沉降。实际工程可提高路基回弹模量保障工程安全稳定。

路基回弹模量对竖向有效应力影响较小，随着回弹模量的增加路基两侧竖向有效应力变化较小，竖向有效应力分布规律为浸水侧小未浸水侧较大。改变回弹模量，路基孔隙水压力基本未变，回弹模量对路基孔隙水压力基本无影响。

综上所述，在水位循环升降工况下，回弹模量变化对路基沉降影响较大，对竖向有效应力影响较小，对孔隙水压力基本无影响。分析其原因是路基回弹模量增大，路基的承载力提高，抵抗变形能力增强，路基产生沉降减小。在实际工程中，高速公路可选用大回弹模量路基来保障工程安全稳定。

4 结论

通过研究主要得到以下结论：

（1）在水位循环升降工况下，浸水高度、路基高度、路基回弹模量和对浸水路基沉降影响较大，路基土泊松比对其影响较小。浸水后土体塑性变形不断累积，最终沉降整体表现为浸水侧大于未浸水侧；减小浸水高度、增大路基回弹模量及泊松比可减小浸水侧沉降。在实际应用中，适当增大路基土模量、提高路基压实度可减小路基不均匀沉降。

（2）在水位循环升降工况下，浸水高度、路基高度对路基竖向有效应力影响较大；路基回弹模量和路基土泊松比对其影响较小；浸水后路基竖向有效应力降低，浸水侧降幅大于未浸水侧。在高速公路中，应及时将浸水一侧积水排出保障路基稳定。

（3）在水位循环升降工况下，浸水高度、路基高度对路基孔隙水压力影响较大；路基回弹模量和泊松比对路基孔隙水压力基本无影响；减小浸水高度、边坡防护可减小浸水侧孔隙水压力。在实际应用中，应做好边坡防护及排水设施保障路基稳定。