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        不同含水率對(duì)路堤填土壓實(shí)特性的影響分析

        2019-05-18 02:24:54王祖鑫
        福建交通科技 2019年2期
        關(guān)鍵詞:路堤增量降雨

        ■王祖鑫

        (1.福建省交通科學(xué)技術(shù)研究所,福州 350004;2.福建省公路、水運(yùn)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,福州 350004)

        1 引言

        福建地處我國(guó)東南沿海,屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候,西北有山脈阻擋寒風(fēng),東南又有海風(fēng)調(diào)節(jié),溫暖濕潤(rùn)為福建氣候的顯著特色,年平均降水量超過1500mm。我國(guó)東南沿海濕熱地區(qū)及西南潮濕地區(qū)的平原或山區(qū)丘陵地帶廣泛分布有高含水率土。由于土體的含水率超過最佳含水率甚多,這些土水穩(wěn)定性差,極難涼曬至標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)所得的最佳含水率,很難達(dá)到現(xiàn)行國(guó)家、行業(yè)施工規(guī)范要求的壓實(shí)度。傳統(tǒng)的處理方法一是棄方,二是添加或水泥、或石灰、或土壤外加劑等加以改進(jìn)利用。兩種方法處理的費(fèi)用都很大,且不利于環(huán)保,對(duì)生態(tài)破壞嚴(yán)重。所以直接采用過濕土作為路基填料,采用正確的填筑工藝和技術(shù)措施進(jìn)行路基施工,這些都有待進(jìn)一步的研究。

        針對(duì)潮濕多雨地區(qū)填土特性,在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合寧德京臺(tái)高速公路工程,采用有限元方法進(jìn)行數(shù)值模擬分析。模型中考慮非飽和路堤填土的應(yīng)力和滲流耦合,通過模擬路堤填筑施工過程以及竣工后隨時(shí)間不斷固結(jié)過程,可以獲得路堤的沉降量、水平位移以及體積應(yīng)變,由體積應(yīng)變可求得體積變化量,進(jìn)而求得固結(jié)后的密度,最終可由密度求得壓實(shí)度,進(jìn)而分析壓實(shí)度隨各種因素的變化規(guī)律。以下針對(duì)潮濕多雨地區(qū)在不同含水率條件下路堤土壓實(shí)特性進(jìn)行分析。

        2 計(jì)算模型和參數(shù)

        本次對(duì)路堤的有限元計(jì)算分析采用的是GeoStudio有限元軟件中的SIGMA/W和SLOPE/W模塊,通過對(duì)路堤填筑過程進(jìn)行應(yīng)力-滲流耦合模擬,獲得路堤和地基的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律,進(jìn)而研究壓實(shí)度在各種工況下的變化規(guī)律。

        依據(jù)典型斷面地質(zhì)勘測(cè)剖面圖,地表存在約12m深的粘性土,之下為巖基,基巖的變形遠(yuǎn)小于地基粘土,其變形可以忽略。因此路基以下的地基深度取12m,表層3m為坡積粘土,之下9m為殘積粘土。地基表面從堤腳向兩側(cè)延伸寬度為35m,堤頂寬度都為26m,堤高為8m,坡比為 1∶1.5。

        本次分析需要考慮施工過程中路堤的變形,因此需要采用應(yīng)力-滲流耦合分析,這就需要對(duì)計(jì)算模型的邊界同時(shí)設(shè)置應(yīng)力變形約束和滲流邊界條件。對(duì)地基底面施加x和y方向的雙向約束,在地基的左右兩側(cè)約束x方向位移,允許豎向自由沉降,對(duì)于滲流邊界,地基底面為不透水邊界,地基的左右兩側(cè)依據(jù)地下水位深度設(shè)置水頭邊界,地面和填筑體表面為自由排水邊界。初始地下水位設(shè)置在地面以下2 m深度處。有限元模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

        路堤填土的計(jì)算參數(shù)都由室內(nèi)試驗(yàn)獲取,地基的計(jì)算參數(shù)參考地勘報(bào)告中鉆孔取樣的數(shù)據(jù)獲取。滲流分析時(shí)采用飽與非飽和滲流方程,非飽和分析需用的土-水特征曲線依據(jù)填土的級(jí)配曲線估算,非飽和滲透函數(shù)由土-水特征曲線估算。不同壓實(shí)度、不同含水率的路堤填土及地基土坡積和殘積粘土的計(jì)算參數(shù)如表1所示。

        3 有限元計(jì)算分析

        圖1 有限元計(jì)算模型

        表1 路堤填土和地基土的計(jì)算參數(shù)

        采用兩種方法來考慮長(zhǎng)期降雨的影響,一種是考慮降雨改變填土的含水率,采用不同含水率的填土(初始?jí)簩?shí)度為90%)來模擬不同降雨強(qiáng)度或時(shí)間對(duì)填土性質(zhì)和壓實(shí)度的影響。采用不同含水率的填土進(jìn)行分析時(shí),考慮到若由于降雨而使填土的含水率改變,則很難實(shí)現(xiàn)連續(xù)施工,因此除連續(xù)施工填筑外,還考慮了填筑3d停歇5d的非連續(xù)施工情況。二是采用初始?jí)簩?shí)度為93%的填土,每層填筑時(shí)均遇3d暴雨,之后停歇2d后繼續(xù)填筑下一層,研究長(zhǎng)期降雨對(duì)路堤壓實(shí)度和穩(wěn)定性的影響。

        兩種情況都采用高8m的路堤進(jìn)行計(jì)算,所建立的分析模型與圖3(b)相同。該地區(qū)年降水量為1650mm。5~6月為梅雨季,降水量在500~600mm之間,占全年總水量的31%~35%,為境內(nèi)主汛期;7~9月為臺(tái)風(fēng)雷雨季,出現(xiàn)暴雨和大暴雨,平均雨日35~42d,降水量360~680mm,占全年降總水量的22%~30%。在福建地區(qū),通常取年最大24h平均雨深為100mm到150mm。考慮到連續(xù)降雨3d,計(jì)算時(shí)取平均降雨強(qiáng)度0.05m/d,每層填筑完成(3d)后的降雨期間(3d)在地基表面和填筑體表面都設(shè)置入滲邊界條件。其它邊界條件與前面的計(jì)算相同。

        3.1 不同含水率填土路堤的變形規(guī)律

        計(jì)算表明:在連續(xù)施工條件下,竣工時(shí),不同含水率填土路堤沉降量最大值都出現(xiàn)在路堤軸線、距堤基約1/4至1/3堤高處。在連續(xù)施工條件下,沉降穩(wěn)定時(shí),不同含水率的路堤的堤身沉降量最大值都出現(xiàn)在路堤軸線、距堤基約1/2堤高處。填土路堤連續(xù)施工竣工時(shí)和沉降穩(wěn)定后的沉降量(m)等值線圖如圖2。隨著含水率的增大,沉降穩(wěn)定時(shí)路堤的沉降量增大。這是因?yàn)楹试酱?,路堤填土越軟,因此最終的沉降量會(huì)越大。

        計(jì)算表明,竣工時(shí)的固結(jié)度隨施工間歇時(shí)間的增大而增大??⒐r(shí)和沉降穩(wěn)定后,不同含水率非連續(xù)施工的路堤堤身沉降量分布規(guī)律與連續(xù)施工時(shí)相同,但沉降穩(wěn)定時(shí)的沉降量更小,填土路堤非連續(xù)施工竣工時(shí)和沉降穩(wěn)定后的沉降量(m)等值線圖如圖3。原因是非連續(xù)施工時(shí)施工間歇時(shí)間增大,填土在施工期的固結(jié)程度增大,類似預(yù)壓效果,因此最終沉降最減小。

        圖2 不同含水率施工間連續(xù)施工沉降量(m)等值線圖

        圖3 施工間非連續(xù)施工沉降量(m)等值線圖

        圖4 路堤的最大沉降量隨填土含水率的變化曲線

        圖4為路堤的最大沉降量隨含水率的變化曲線。由圖可知,無論是連續(xù)施工和間歇施工,竣工時(shí)和沉降穩(wěn)定后路堤的最大沉降量都隨含水率的增大而增大。說明若遇長(zhǎng)期降雨致使填土含水率增大,則竣工和沉降穩(wěn)定時(shí)填土的沉降量都將增大。不同含水率的路堤穩(wěn)定時(shí)的最大沉降量均大于竣工時(shí)的沉降量。對(duì)比連續(xù)施工和間歇施工的結(jié)果可知,連續(xù)施工竣工時(shí)的最大沉降量較小,但沉降穩(wěn)定后的最大沉降量較大。這是由于施工間歇時(shí)間越長(zhǎng),施工期填土的固結(jié)越充分,因而竣工時(shí)最大沉降量越大,沉降穩(wěn)定時(shí)的沉降量越小。

        3.2 考慮降雨入滲時(shí)填土路堤的變形規(guī)律

        計(jì)算可知,隨著填土高度的增大,路堤的沉降量不斷增大。不同施工階段路堤的沉降量分布規(guī)律不同,當(dāng)填土高度較低(<4m)時(shí),堤身沉降量出現(xiàn)兩個(gè)對(duì)稱的最大值,位于路堤的兩側(cè)??⒐ず统两捣€(wěn)定時(shí),沉降量最大值都出現(xiàn)在路堤軸線、距堤基約1/3至1/2堤高處,如圖5。隨著填土高度的增大,由于降雨入滲,路堤中的浸潤(rùn)線逐漸升高,竣工時(shí)浸潤(rùn)線位置最高,之后逐漸降低,沉降穩(wěn)定時(shí)浸潤(rùn)線基本恢復(fù)到初始地下水位處。

        圖6為有、無降雨入滲情況下路堤的沉降量沿高度的分布曲線。竣工時(shí)和沉降穩(wěn)定后路堤的沉降量沿高度的分布規(guī)律類似,都是先增大再減小??⒐r(shí)沉降量最大值出現(xiàn)在3m高處,沉降穩(wěn)定時(shí)沉降量最大值出現(xiàn)在4m高處。與無降雨時(shí)的沉降量相比,除地基表面和竣工時(shí)路堤1m高以下,遇長(zhǎng)期降雨情況下竣工時(shí)和沉降穩(wěn)定時(shí)的沉降量都大于無降雨的情況。這是由于降雨入滲會(huì)對(duì)路堤填土施加向下的滲透力,增大路堤的沉降量。

        圖5 降雨入滲情況下不同階段路堤的沉降量(m)等值線圖

        圖6 路堤的沉降量沿高度的分布曲線

        4 壓實(shí)度隨填土含水率的變化規(guī)律

        圖7繪出了不同含水率路堤連續(xù)施工情況下壓實(shí)度隨層高的變化曲線。由圖可知,竣工時(shí)和沉降穩(wěn)定時(shí)壓實(shí)度增量隨著層高變化而變化的規(guī)律不同??⒐r(shí),壓實(shí)度增量都隨層高的增大而減小;除路堤最頂層的壓實(shí)度隨含水率的增大而略微減小外,其它高度處的壓實(shí)度增量都隨含水率的增大而增大,且位置越低增大得越明顯。這是因?yàn)楹试酱螅钔猎杰?,沉降量越大,且底層受上部土層的壓?shí)越明顯。

        當(dāng)沉降穩(wěn)定時(shí),壓實(shí)度增量都隨層高的增大而增大;不同高度處路堤的壓實(shí)度增量都隨填土含水率的增大而增大。這是因?yàn)楹试礁撸馏w越軟,因此路堤最終的沉降量越大,壓實(shí)度增量也就越大。

        圖7 不同含水率路堤連續(xù)施工的壓實(shí)度隨層高的變化曲線

        圖8為有、無降雨情況下路堤的壓實(shí)度增量沿路堤高度的分布曲線。由圖可知,竣工時(shí)和沉降穩(wěn)定后路堤的壓實(shí)度增量沿高度的分布規(guī)律不同??⒐r(shí)壓實(shí)度增量隨路堤高度的增大而減小,沉降穩(wěn)定時(shí)壓實(shí)度增量隨高度的增大先增大后減小出現(xiàn)在3m高處,沉降穩(wěn)定時(shí)沉降量最大值出現(xiàn)在4m高處。與無降雨時(shí)的沉降量相??⒐r(shí)有、無降雨對(duì)壓實(shí)度的影響很小,在路堤上部遇降雨的情況的壓實(shí)度增量稍小,這是由于降雨入滲增大了孔隙水壓力,不利于填土的固結(jié)。沉降穩(wěn)定時(shí),遇降雨的情況的壓實(shí)度增量大于無降雨的情況。這是因?yàn)榻涤耆霛B的滲透力給填土施加了附加的應(yīng)力,增大了填土的固結(jié)應(yīng)力,因而遇降雨時(shí)路堤最終的壓實(shí)度較大。

        圖8 路堤的壓實(shí)度增量沿高度的分布曲線

        5 結(jié)論

        (1)對(duì)于不同含水率填土路堤,其沉降量在竣工時(shí)和沉降穩(wěn)定時(shí)都隨填土含水率的增大而增大??⒐ず统两捣€(wěn)定時(shí)壓實(shí)度增量也都隨填土含水率的增大而增大。

        (2)當(dāng)遇長(zhǎng)期降雨時(shí),竣工和沉降穩(wěn)定時(shí)路堤的沉降量都比無降雨時(shí)大;竣工時(shí)壓實(shí)度增量幾乎不受降雨入滲的影響,但長(zhǎng)期降雨情況下路堤沉降穩(wěn)定時(shí)壓實(shí)度增量比無降雨時(shí)大。

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