盧業(yè)旭，孫少銳

（河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇南京 210098）

在我國(guó)東南沿海地區(qū)，軟土分布較廣。在軟土地基上修建高填方路基，路基的不均勻沉降是最常見的病害。一般認(rèn)為，填筑速率與路基的工后沉降關(guān)系密切［1］，因此在工程實(shí)踐中，對(duì)于路基的填筑速率有嚴(yán)格的規(guī)定，特別是對(duì)于高填方軟土地基，對(duì)填筑速率的控制更為重要。國(guó)內(nèi)對(duì)高填方路基和軟土路基的填筑速率研究已初見成效［2－4］，但對(duì)于填筑厚度的相關(guān)研究并不多見。在路基加寬工程中，更應(yīng)該注重工后沉降與不均勻沉降的問(wèn)題［5－7］。本文所選工程為臨水高吹填路堤結(jié)合工程，在國(guó)內(nèi)尚無(wú)很成熟的研究經(jīng)驗(yàn)，具有較高的科研價(jià)值。

本論文以南京濱江大道高等級(jí)道路拓寬工程為依托，結(jié)合變形等監(jiān)測(cè)資料，對(duì)處治效果進(jìn)行評(píng)價(jià)驗(yàn)證，建立了新老路堤拼接結(jié)構(gòu)的有限元模型，施工過(guò)程中采用分層填土，對(duì)層厚10、20、30 cm的填土層分別進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)將填筑速率控制在0.5、1、2、3 m/月，對(duì)比分析路基的總沉降量、工后沉降和差異沉降，結(jié)合超靜孔壓的消散情況，提出一個(gè)合理的填筑速率以及填土層厚，對(duì)軟基上的路基拓寬施工進(jìn)行理論參考。

1 工程概況

南京市浦口濱江大道（浦口新城段）第二標(biāo)段（標(biāo)段樁號(hào)為 K10+000～K14+759.761）位于浦口區(qū)東側(cè)，緊鄰長(zhǎng)江。工程所在地區(qū)主要為長(zhǎng)江中下游沖積平原，軟土廣泛分布。根據(jù)勘察報(bào)告，場(chǎng)地地表出露及野外勘探深度90 m以內(nèi)揭露有第四系人工填土層（Qme）和第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4al）以及白堊系下統(tǒng)浦口組上段（K1p2）泥質(zhì)粉砂巖、泥巖。按照不同的堆積、沉積環(huán)境特點(diǎn)和形成次序，由上往下大致分為四層:第一層為魚塘、溝渠表層淤泥土和雜填土，整個(gè)場(chǎng)地分布，厚度為1.5～6.5 m;第二層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土～淤泥質(zhì)粘土，層厚5.4～16.6 m;第三層為粉質(zhì)粘土與粉土互層，其中粉質(zhì)粘土以軟塑狀為主，局部可塑，厚度3.0～16.0 m;第四層為細(xì)砂加粉質(zhì)粘土，層厚一般為10.0 ～20.0 m。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型建立

本文運(yùn)用有限元軟件對(duì)南京浦口濱江大道試驗(yàn)段K11+500斷面進(jìn)行建模，模型如圖1所示。計(jì)算中考慮到填土影響范圍，模型取寬度為140.0 m，路堤下地基土取至深度35.0 m，路堤高度約5.0 m，路堤頂面寬度42.0 m，路堤下主要為吹填砂回填層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層、粉質(zhì)粘土與粉土互層和細(xì)砂夾粉質(zhì)粘土層。路堤主要為吹填砂和路基填土組成，兩側(cè)擴(kuò)寬部分下部軟基采用排水板處理，雙側(cè)拓寬路基模型中排水板處理淤泥質(zhì)土的厚度右側(cè)約為7.0 m，左側(cè)約為6.0m。同時(shí)取老路基下部粉質(zhì)粘土層中A點(diǎn)，路基右側(cè)排水板下部粉質(zhì)粘土層中B點(diǎn)作為孔壓的觀測(cè)點(diǎn)，用以觀測(cè)超靜孔壓的消散狀況。模擬過(guò)程中通過(guò)填土層的加載間隔來(lái)控制填筑速率，同時(shí)在考慮不同的填土層厚的條件下進(jìn)行路基填土，分析路基沉降以及孔壓情況。

2.2 計(jì)算結(jié)果分析

2.2.1 模型合理性驗(yàn)證

特征斷面實(shí)際施工的填土層厚為20 cm，由于位于濱江地區(qū)，受長(zhǎng)江汛期與降水的影響，施工速率不能保持恒定;由于排水板的實(shí)際排水效果與模型中的排水效果有差異，導(dǎo)致在施工過(guò)程中的實(shí)測(cè)沉降數(shù)值與模型模擬所得數(shù)值不能很好地吻合。但在總的沉降量上二者基本保持一致，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的竣工沉降量為1 238 mm，模型計(jì)算得到的竣工沉降量為1 245 mm，證明了數(shù)值模擬的合理性。表1列出了特征斷面部分實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)。

表1 特征斷面實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)Tab.1 The settlement data of characteristic section

表2 不同填土層厚與填筑速率下路基沉降表Tab.2 The settlement table of different dumping thickness and filling velocity

2.2.2 總沉降分析

針對(duì)特征斷面，分別使用厚度10、20、30 cm的填土在 50、100、200、300 cm/月的填筑速率的條件下下對(duì)路基進(jìn)行施工。

由表2可知:當(dāng)填筑速率較小時(shí)，路基的竣工沉降量較大，而隨著填筑速率的增加，軟土中的超孔隙水壓力隨之增大，路基的竣工沉降量在減小，但是變化并不明顯。由于排水板的處理深度達(dá)到15～16 m，而填土的影響范圍主要位于這一層，因此超靜孔壓的消散較快，填筑速率的對(duì)竣工沉降量的影響相對(duì)小。

隨著填土層厚的增加，在較低的填筑速率下竣工沉降量變化不大，但是隨著填筑速率的增加，竣工沉降量差異開始凸顯，同是在300 cm/月的填筑速率下，10 cm層厚填土的竣工沉降量為126 cm，30 cm層厚填土的竣工沉降量為124 cm，對(duì)需要嚴(yán)格控制的工后沉降影響比較明顯。而填筑速率只影響路基的沉降過(guò)程，路基的最終沉降量取決于填土高度，因此填筑速率對(duì)路基的最終沉降量沒有影響。

2.2.3 工后沉降以及差異沉降分析

設(shè)置新填路基左路肩為零點(diǎn)，在填土施工結(jié)束后直至超靜孔壓力消散為0這段時(shí)間里，路基頂面的各點(diǎn)的工后沉降如圖2。

從圖2可以得出以下結(jié)論:在當(dāng)填土層厚相同時(shí)，填筑速率越快，工后沉降越大;填筑速率越低，工后沉降越小。因?yàn)樵诎l(fā)生固結(jié)沉降過(guò)程中，孔隙水壓的消散需要一定的時(shí)間，在竣工時(shí)孔壓并沒有完全消散，施工速率越快，由于固結(jié)時(shí)間不夠，孔壓的消散主要是在工后完成，因此最后的工后沉降就越大。

填筑速率相同時(shí)，當(dāng)填土速率為200 cm/月和300 cm/月時(shí)，10 cm層厚產(chǎn)生的工后沉降最小，30 cm工后沉降最大;而當(dāng)填土速率為50 cm/月和100 cm/月時(shí)，20 cm層厚填土的工后沉降最小。

對(duì)比相同層厚填土在不同填筑速率下的沉降，10 cm層厚填土50 cm/月的填筑速率下工后沉降最大值為1.80 cm，最小值為0.66 cm，工后差異沉降為1.14 cm。而在300 cm/月的填筑速率下，工后差異沉降則為4.54 cm。在30 cm層厚填土，300 cm/月的填筑速率下，工后差異沉降為4.87 cm?？梢?，隨著填筑速率的增加，工后差異沉降越明顯。較大的工后差異沉降不利于之后的路面施工，易引起路面開裂等情況，影響車輛正常行駛。

對(duì)比計(jì)算結(jié)果中12種曲線，在50、100 cm/月速率下各層厚的填筑方案最終產(chǎn)生的工后沉降都很小，其中20 cm層厚填土在100 cm/月的速率下的最終工后沉降最小，而30 cm層厚在300 cm/月速率下填筑后最終的工后沉降最大。

老路基經(jīng)過(guò)多年運(yùn)營(yíng)，沉降已經(jīng)比較穩(wěn)定，而拓寬部位的新路基是在吹填砂的基礎(chǔ)上進(jìn)行施工，所以新路基的固結(jié)程度要低于老路基，所以新路基的沉降主要是在填土施工過(guò)程中完成。而在施工結(jié)束后，整個(gè)斷面的沉降最大值出現(xiàn)在原老路范圍內(nèi)，最大工后沉降點(diǎn)近似出現(xiàn)在老路面的中線位置，路基右側(cè)沉降差較小。主要是因?yàn)?在路基右側(cè)下部排水條件較好，整個(gè)區(qū)域都有塑排水板，在施工期間，排水條件較好，在上部荷載作用下孔壓能很快消散，沉降主要發(fā)生在施工過(guò)程中，最終這個(gè)區(qū)域工后沉降較小。在原老路區(qū)域，不設(shè)有排水板，下部土層為粉質(zhì)粘土，透水性較差，從右邊靠近老路位置雖然有排水板，但排水路徑較長(zhǎng)，孔壓消散也很慢，在竣工后存在較大孔壓，運(yùn)營(yíng)期由于孔壓消散引起的工后沉降也較大。

2.2.4 超靜孔隙水壓力分析

孔隙水壓力也是控制填筑速率的重要指標(biāo)之一，由于孔壓的消散只與填土速率有關(guān)，所以取10 cm層厚的填土模型的孔壓消散情況作為參考。通過(guò)模型分析得知，超靜孔壓與填筑速率呈正比關(guān)系，即隨著填筑速率的增大，竣工時(shí)的超靜孔壓也隨著增大，在50 cm/月的填筑速率條件下，竣工時(shí)的最大超靜孔壓僅為8.47 kN/m2，而隨著填筑速率增大到 100 cm/月，最大超靜孔壓為17.33 kN/m2，而在 300 cm/月填筑速率條件下，最大超靜孔壓增大到30.68 kN/m2，超靜孔壓承擔(dān)了上部填土的荷載，延緩了路基的固結(jié)過(guò)程。

為了更詳細(xì)研究各填筑速率條件下孔隙水壓的變化過(guò)程，在模型中選擇A、B兩個(gè)特征點(diǎn)，研究各特征點(diǎn)的孔隙水壓隨時(shí)間的變化過(guò)程。圖3為模型中A、B兩點(diǎn)的超靜孔隙水壓力的消散情況。

從圖3（a）中可以看出，當(dāng)填筑速率為50 cm/月時(shí)，A點(diǎn)在填筑初期達(dá)到最大超靜孔壓，為－14.538 kN/m2，在填筑過(guò)程中超靜孔壓持續(xù)消散，地基承載力在這一過(guò)程中不斷加高。在100、200 cm/月的填筑速率下，超靜孔壓在填土初期消散良好，隨著填土高度的增加，超靜孔壓開始緩慢增大，而在300 cm/月的填筑速率下，超靜孔壓持續(xù)增大，當(dāng)填筑結(jié)束時(shí)，超靜孔壓達(dá)到最大值，為－22.551 kN/m2。從圖3（b）可以看出，B 點(diǎn)在第一層的吹沙階段孔壓增長(zhǎng)迅速，達(dá)到－39.953 kN/m2，而在其上層的排水板打設(shè)之后，超靜孔壓在短期內(nèi)降到了－8.906 kN/m2，在之后的填土施工過(guò)程中，除了在300 cm/月的填筑速率下超靜孔壓還在持續(xù)增長(zhǎng)，其他填筑速率下的超靜孔壓都消散良好，在這一過(guò)程中，排水板起到的排水降壓的作用十分明顯，填筑速率對(duì)于鋪設(shè)排水板區(qū)域軟土的固結(jié)過(guò)程影響不顯著。綜上所述，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工情況，選擇50、100 cm/月的施工速率較為合理。

3 結(jié)論

本文通過(guò)討論不同填土層厚與不同填筑速率對(duì)拓寬路基的影響，得出以下結(jié)論:

（1）當(dāng)最終填土高度保持固定時(shí)，填筑速率主要影響竣工時(shí)的沉降量，在排水條件良好的情況下，孔隙水壓力消散及時(shí)，固結(jié)度隨著填筑速率的增加變化不大，可以適當(dāng)?shù)募哟筇钪俾省?/p>

（2）由于老路基的固結(jié)程度要高于新填路基，在老路基下沒有打設(shè)排水板，老路基上覆的填土在施工階段沉降量小于兩側(cè)打設(shè)排水板的路段，因此存在較大的工后沉降，而新填路基的工后沉降小于老路基位置，這造成了較大的差異沉降。

（3）隨著填土層厚的增加，相同填筑速率下的填土差異沉降量也在變大，所以10 cm和20 cm層厚的填土要明顯優(yōu)于30 cm層厚的填土，考慮到施工的頻繁程度，20 cm填筑高度為宜。

（4）過(guò)快的填筑速率下，超靜孔壓不容易消散，影響路基穩(wěn)定，50～100 cm/月的填筑速率下孔壓消散良好，可作為施工參考。

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