簡 輝

(蘇交科集團(tuán)股份限公司，江蘇 南京 210017)

高速公路改良膨脹土路基工作性狀研究

簡 輝

(蘇交科集團(tuán)股份限公司，江蘇 南京 210017)

隨著高速公路快速發(fā)展，改良膨脹土用于路基填料不可避免，探索改良膨脹土路基的工作性狀已經(jīng)成為工程界主要關(guān)注熱點(diǎn)之一?；诖?，依托某高速公路改良膨脹土路基為背景，首先借助現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析改良膨脹土路基分級(jí)填筑過程中的變形特性，然后借助三維數(shù)值模擬，結(jié)合邊坡穩(wěn)定性分析的強(qiáng)度折減理論，對(duì)改良膨脹土路基的安全儲(chǔ)備進(jìn)行分析。

高速公路；膨脹土；工作性狀；現(xiàn)場測試；數(shù)值模擬

1 工程概況及測試方案

某高速公路DK941+620～DK942+785區(qū)間，全長1 165 m。該高速公路設(shè)計(jì)為雙向四車道，路面寬13.4 m，路基高度6.2 m，路基填料采用石灰改良膨脹土(摻量3.5%)。試驗(yàn)段地基膨脹土基本物理力學(xué)特性詳表1。

表1 土層基本物理力學(xué)特性

為測試改良膨脹土路基的承載特征，現(xiàn)場埋設(shè)沉降板和土壓力盒。其中土壓力盒采用JMZX-50XX智能弦式數(shù)碼壓力盒，量程為0.3 MPa，靈敏度為1 Hz。具體測試元件埋設(shè)位置詳圖1所示。

圖1 測試元件埋設(shè)布置圖

2 現(xiàn)場測試結(jié)果及分析

2.1 沉降測試結(jié)果分析

圖2為地基沉降隨時(shí)間及填筑高度變化曲線。

圖2 沉降—時(shí)間—填土高度變化曲線

由圖2可知：隨填土高度增加，相應(yīng)填筑荷載變大，必然加速地基固結(jié)速率，表現(xiàn)為地基沉降隨時(shí)間及填土高度逐漸變大，具體呈現(xiàn)3階段特征：(1)快速增長階段。該階段主要發(fā)生在填筑前期，沉降隨填筑高度增加迅速增大，增長速率約為3 mm/d，累積沉降約為32 mm；(2)緩慢增長階段。主要發(fā)生在填土階段后期至填土結(jié)束靜置期，由于土體固結(jié)在前階段的快速發(fā)展，該階段固結(jié)速率逐漸減緩，沉降變化速率呈緩慢增長階段，增長速率約為1.3 mm/d，僅為第一階段沉降速率的43.33%；(3)基本穩(wěn)定階段。隨著路基填土結(jié)束，地基上部荷載為恒載，地基固結(jié)受上部荷載影響隨時(shí)間不再增加，該階段地基沉降基本呈直線發(fā)展，最終穩(wěn)定時(shí)累積沉降約為45 mm。

2.2 土壓力測試結(jié)果分析

圖3為路基中心處和路肩處測試土壓力隨時(shí)間及填筑高度變化曲線。

圖3 土壓力—時(shí)間—填土高度變化曲線

由圖3可知：土壓力與填土高度變化曲線基本吻合，證明土壓力主要受上部填筑荷載的影響，而土壓力變化曲線波動(dòng)大于填土高度曲線，亦證明兩者之間并非完全的線性映射關(guān)系；在填土的初期，土壓力曲線波動(dòng)較大，并非由填筑荷載影響，主要考慮填土層較薄，影響來自大型施工機(jī)械所致；填土后期，土壓力隨荷載增加逐漸變大，兩者基本對(duì)應(yīng)；因路基中心和路肩荷載不同，所對(duì)應(yīng)的土壓力亦存在差異。

3 改良膨脹土路基安全儲(chǔ)備數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

根據(jù)路基橫向變形最大影響范圍距離中心兩側(cè)3～5倍距離，地基模型寬取100 m，考慮路基中線對(duì)稱特性，計(jì)算取一半處理；由于路基邊坡穩(wěn)定性主要考慮地表上部路堤，因此地基取30 m，更多考慮為約束邊界條件需求；模型縱向長度無要求，計(jì)算時(shí)取40 m。

模型中：土體采用摩爾-庫倫模型，其它采用線彈性模型；單元類型未C3D8R；網(wǎng)格均采用STRUCTURE技術(shù)劃分；模型四周限制法向位移，底邊固定約束。模型材料本構(gòu)模型均選為Mohr-Coulomb。建立后的數(shù)值模型，計(jì)算參考詳表2。

表2 計(jì)算所需參考數(shù)據(jù)

3.2 模型合理性驗(yàn)證

數(shù)值計(jì)算建立在以下假設(shè)基礎(chǔ)上：模型材料認(rèn)為各項(xiàng)同性均值；地基中忽略地下水滲透演化影響，以水土合算考慮；僅考慮自重影響。因此，模型的合理性有待驗(yàn)證，圖4即為計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對(duì)比曲線。

圖4 沉降對(duì)比曲線

由圖4可知：計(jì)算值與實(shí)測值曲線變化吻合度較高，側(cè)面驗(yàn)證了數(shù)值模型計(jì)算參數(shù)及邊界條件等選取的合理性；計(jì)算值略大于實(shí)測值，差值約為4 mm，說明計(jì)算結(jié)果偏于保守，若用于實(shí)際工況分析，偏安全。

3.3 安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果分析

由圖5可知，直接使用素膨脹土進(jìn)行填筑路基，整體安全系數(shù)較低僅為1.5左右；采用摻量3.5%石灰改良后，路基整體穩(wěn)定性顯著提高，安全系數(shù)達(dá)到2.8左右，相比素土提高了86.67%，主要由于改良膨脹土的強(qiáng)度更高所致；交通荷載對(duì)路基整體穩(wěn)定性有一定影響，考慮交通荷載影響，改良膨脹土路基的安全系數(shù)降至2.6左右，降低了7.1%。

圖5 安全系數(shù)對(duì)比

4 結(jié) 論

(1)測試結(jié)果表明：地基沉降隨填筑荷載呈“快速發(fā)展、緩慢發(fā)展和基本穩(wěn)定”三階段發(fā)展特征，穩(wěn)定時(shí)累積沉降約為45 mm；土壓力變化與填土曲線基本一致，填土初期土壓力波動(dòng)較大，主要受施工機(jī)械荷載所致；因路基中心和路肩荷載不同，路基中心處土壓力整體大于路肩。 (2)計(jì)算值與實(shí)測值曲線變化吻合度較高，側(cè)面驗(yàn)證了文中數(shù)值模型的合理性，同時(shí)計(jì)算值略大于實(shí)測值(差值4 mm)，說明計(jì)算結(jié)果偏保守、安全。 (3)改良膨脹土較素膨脹土路基而言，安全系數(shù)達(dá)到2.8左右，提高了86.67%，主要由于改良膨脹土的強(qiáng)度更高所致；考慮交通荷載影響后，改良膨脹土路基的安全系數(shù)降至2.6左右，降低了7.1%。

[1] 劉特洪．工程建設(shè)中的膨脹土問題[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1997．

[2] 廖世文．膨脹土與鐵路工程[M]．北京：中國鐵道出版社，1984．

[3] 岑勝，王協(xié)群，焦秋霞，等. 南陽中膨脹土水泥改性的室內(nèi)試驗(yàn)研究[J]. 土工基礎(chǔ)，2014，(4):138-141.

Adissertationonworkingbehaviorofimprovedexpansivesoilsubgradeinexpressway

JIAN Hui

(Su Chuanke Group Co., Ltd.，Nanjing，Jiangshu 210017，China)

With the rapid development of expressway, improved expansive soil is difficult to use for roadbed packing, and to explore the working traits of improved expansive soil subgrade has become one of the major concerns of engineering. Based on this, based on the improvement of expansive soil subgrade in a certain highway, the deformation characteristics of the expansive soil filling process are improved by means of field test data. Then, by means of three-dimensional numerical simulation and the strength reduction theory of slope stability analysis , The safety reserves of improved expansive soil subgrade were analyzed.

expressway; expansive soil; working behavior; field test; numerical simulation

2017-05-08

簡輝(1983-)，女，工程師，主要從事道路工程設(shè)計(jì)方面的工作。

U416.1

A

1008-3383(2017)11-0011-02