諶 呈

(懷化市農(nóng)村公路建設(shè)辦公室， 湖南 懷化 418000)

0 引言

截至2021年，全國高速公路通車總里程已超16萬km，穩(wěn)居世界第一。然而，隨之暴露出來的路基問題也變得更加嚴(yán)峻，高速公路路基過大的沉降往往會對路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的破壞，從而威脅公路的正常運營。

對此，許多學(xué)者采用有限元方法對路基沉降進行了相關(guān)研究：肖倫斌等[1]采用有限元軟件對高填方高速公路軟土地基進行了數(shù)值模擬，分析了路堤加載預(yù)壓過程中地基土的變形和孔隙水壓力的變化規(guī)律；王洪德等[2]利用ABAQUS有限元中三維立體模型對某高速公路軟土路基分級填筑進行了模擬，指出軟基填筑過程中，地基表面沉降呈“盆”狀，且該工程地表模擬最大沉降為26 mm；蔣國敬[3]利用ANSYS大型有限元軟件對重慶某高速公路片石壓填地基沉降進了模擬，分析了路基極限承載力、變形模量和路基沉降在片石壓填過程中的變化規(guī)律，并分析計算了路堤填土高度對片石壓填地基沉降的影響規(guī)律；孔祥勛等[4]利用有限元和長期沉降經(jīng)驗公式，提出重載鐵路路堤沉降預(yù)測模型，并對路堤年沉降量進行了參數(shù)分析；董天雄[5]利用FLAC3D有限元軟件分別對不同劑量石灰改良紅砂巖填料和水泥改良紅砂壓填料路基進行了模擬，指出改良紅砂巖填料對減少路基沉降具有良好效果，且7%配比石灰改良土和水泥改良土沉降最小；吳俊[6]將地基與路基統(tǒng)一化為整體，利用ANSYS研究了高填方路基邊坡坡度、寬度以及材料參數(shù)對沉降的影響規(guī)律；隗忠全[7]采用有限元分析軟件，就填土高度、填料土石比、邊坡坡度、地基處理方法對沉降的影響進行了敏感性分析，總結(jié)了不同參數(shù)下路堤沉降變形規(guī)律；羅婧等[8]利用有限元法研究了軟土地基上填砂路堤的變形規(guī)律，總結(jié)出填砂路堤的豎向變形、側(cè)向變形、基底豎向應(yīng)力分布規(guī)律。單凌志[9]利用有限元模擬分析了壓實不勻的高填方路基沉降特性，比較了欠壓實區(qū)與正常壓實區(qū)之間的差異沉降；李永剛等[10]利用有限元分析了路堤荷載下水泥土樁復(fù)合地基變形規(guī)律，指出樁長是影響地表沉降、地基土側(cè)向變形的主要因素。

綜上所述，目前利用有限元研究路基沉降大多集中于計算分析實際路基工程最終沉降，而對沉降的影響因素研究較少。因此，本文采用有限元軟件ABAQUS對某換填地基沉降進行研究，分析了路堤填土彈性模量、地基土滲透性能對沉降的影響規(guī)律。

1 工程概況

某高速公路5標(biāo)段位于湖南省東北部地區(qū)，全線采用4車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，路基寬度26 m，設(shè)計速度100 km/h。所經(jīng)地帶主要為丘陵和低山地貌，最大標(biāo)高267.03 m，最低標(biāo)高75.00 m，一般標(biāo)高80～100 m，以白堊系紅色砂巖、鈣泥質(zhì)粉砂巖和礫巖為主。地形起伏較小。項目區(qū)域光熱充足，雨量充沛，無霜期長，春季多潮濕陰雨，夏季多暴雨高溫，地表水發(fā)達，線路區(qū)域內(nèi)不良地質(zhì)與特殊巖土主要為軟土，其厚度小，范圍不大。因此該地區(qū)修筑路基時地基處理的方法一般為換填,即采用硬塑狀粉質(zhì)黏土分層回填至浸水線以上，再填筑路堤。本文有限元模擬時假定浸水線位于地基表面。

2 計算模型及參數(shù)設(shè)定

采用有限元軟件對該高速某個典型換填路基沉降進行模擬。路堤填土總高度為6 m，邊坡坡度1∶1.5，分3層填筑。為方便模擬，將路基作為軸對稱結(jié)構(gòu)，取一半進行研究，地基長度取60 m，厚度取10 m，如圖1所示。對稱面邊界約束水平位移及轉(zhuǎn)角，地基表面為排水邊界，約束模型底邊所有位移，全局網(wǎng)格劃分尺寸0.2 m×0.2 m，路堤填土采用CPE4(4結(jié)點雙線性平面應(yīng)變4邊形單元)劃分單元；下部地基采用CPE4P(4結(jié)點平面應(yīng)變4邊形單元， 雙線性位移， 雙線性孔壓)劃分單元。在ABAQUS中設(shè)置6個分析步，每個分析步時間長度均為90 d，分別對應(yīng)3級填土預(yù)壓時長。每層填土之間采用ABAQUS中自帶的生死單元法來定義荷載施加順序。路堤填土采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，地基土采用修正劍橋模型。參照該高速公路有關(guān)試驗資料確定模型的計算參數(shù)，如表1、表2所示。

表2 修正劍橋模型參數(shù)材料類型泊松比λMe1Kk0/(m·d-1)地基填料(硬塑狀粉質(zhì)黏土)0.30.051.20.7650.012.16×10-3

表2中:λ為修正劍橋模型中塑性體積模量對數(shù)；K為多孔介質(zhì)彈性對數(shù)體積模量，λ、K均根據(jù)現(xiàn)場地基土等向固結(jié)壓縮試驗求得；M為應(yīng)力比，由工程現(xiàn)場測得的各土層的內(nèi)摩擦角與黏聚力計算得到；e1為等向壓縮固結(jié)曲線在e— lnp坐標(biāo)系上lnp=0處孔隙比；k0為地基土滲透系數(shù)，通過室內(nèi)滲透試驗求得。

3 計算結(jié)果分析

3.1 路基填筑過程豎向位移分析

圖2為路基填筑過程豎向位移云圖。

由圖2可以看出：路基總沉降由路堤本身沉降和地基沉降2部分組成。通過ABAQUS查詢功能可知，路堤本身沉降較小，絕大部分沉降來自于地基沉降。填土2 m時，路基總沉降為62.37 mm；其中，地基沉降58.76 mm，路堤沉降3.61 mm。

(a) 填筑2 m

填土4 m時，路基總沉降為147.4 mm；其中，地基沉降139.5 mm，路堤沉降7.9 mm。填土6 m時，路基總沉降為240.7 mm；其中，地基沉降225.03 mm，路堤沉降15.67 mm。路基總體沉降呈中間大，路肩沉降小，考慮到路基的軸對稱結(jié)構(gòu)，可以看出路基沉降呈“凹”形。

3.2 彈性模量對沉降影響

我國相關(guān)規(guī)范[11]規(guī)定，高速公路修建過程中路床壓實度應(yīng)≥96%，路堤壓實度應(yīng)≥93%。壓實度的大小，在土體上最直觀的表現(xiàn)就是土體彈性模量的大小，本文在保持其他模型參數(shù)不變情況下，就不同彈性模量(20、25、30、35 MPa)填土對路基沉降的影響進行了探討。

不同彈性模量填土路基的豎向位移云圖、表面沉降以及彈性模量與路基沉降的關(guān)系分別如圖3～5所示。

(a) 20 MPa

由圖3、圖4可以看出：隨著填土彈性模量增大，路基沉降不斷減小。彈性模量20 MPa時，路基沉降為240.7 mm；彈性模量25 MPa時，路基沉降為238.0 mm；彈性模量30 MPa時，路基沉降為236.1 mm；彈性模量35 MPa時，路基沉降為234.6 mm。通過ABAQUS查詢功能發(fā)現(xiàn)，路堤填土彈性模量變化導(dǎo)致的路基沉降變化，主要是路堤本身沉降引起，且彈性模量變化引起的路基沉降變化量較小。從圖5中可以看出，彈性模量與路基沉降間存在良好的線性關(guān)系，經(jīng)擬合得到公式S=0.248 46-4.071 4×10-4E，R2為0.971 04，相關(guān)度較高，S為路基沉降，E為土體彈性模量。從該公式也可看出沉降與彈性模量存在良好的反比關(guān)系，從而為實際施工提供一定的參考。

圖4 不同彈性模量填土路基表面沉降

圖5 彈性模量與路基沉降關(guān)系

3.3 地基滲透性能對豎向位移影響

不同滲透系數(shù)計算路基沉降云圖見圖6，路基表面沉降曲線、滲透系數(shù)與路基中線沉降關(guān)系分別如圖7、圖8所示。

從圖6可以看出：地基滲透系數(shù)k=1.35×10-4m / d時，路基填筑沉降量為178.5 mm；地基滲透系數(shù)k=2.70×10-4m / d時，路基填筑沉降量為207.1 mm；地基滲透系數(shù)k=5.40×10-4m / d時，路基填筑沉降量為225.2 mm；地基滲透系數(shù)k=1.08×10-3m / d時，路基填筑沉降量為233.2 mm；地基滲透系數(shù)k=2.16×10-3m / d時，路基填筑沉降量為235.0 mm；地基滲透系數(shù)小于5.40×10-4m / d時，路基沉降隨滲透系數(shù)增大，大致呈線性增大趨勢；當(dāng)滲透系數(shù)>5.40×10-4m / d后，路基沉降隨滲透系數(shù)增大呈增大趨勢，但增大幅度明顯下降?？梢姖B透系數(shù)對沉降的影響存在一個范圍，滲透系數(shù)一旦超出此范圍，沉降不再隨滲透系數(shù)變化而變化，其原因可能與地基孔隙水壓力變化有關(guān)，因此本文給出了不同滲透系數(shù)對應(yīng)的地基孔壓云圖(見圖9)。

(a) k = 1.35×10-4 m / d

圖7 路基表面沉降曲線

圖8 滲透系數(shù)與路基中線沉降關(guān)系

(a) k=1.35×10-4 m/ d

由圖9可以看出：地基滲透系數(shù)k=1.35×10-4 m / d時，填筑完畢時地基孔隙水壓力為57.60 kPa；地基滲透系數(shù)k=2.70×10-4 m / d時，填筑完畢時地基孔隙水壓力為30.57 kPa；地基滲透系數(shù)k=5.40×10-4 m / d時，填筑完畢時地基孔隙水壓力為11.73 kPa；地基滲透系數(shù)k=1.08×10-3 m / d時，填筑完畢時地基孔隙水壓力為2.85 kPa；地基滲透系數(shù)k=2.16×10-3 m / d時，填筑完畢時地基孔隙水壓力為0.376 3 kPa。滲透系數(shù)越大，填筑完畢時地基孔隙水壓力越小，根據(jù)太沙基一維固結(jié)理論，土體沉降變形的本質(zhì)為土體中孔隙水排出，孔隙被不斷壓縮的結(jié)果，孔隙水壓力越小，土體越接近于穩(wěn)定，滲透系數(shù)增大到一定程度，地基填筑完畢時孔壓越接近于靜水壓力，路基沉降越趨近于穩(wěn)定。

4 結(jié)論

依據(jù)某工程實例，采用有限元方法分析了換填路基填筑過程中沉降變化規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1) 路基沉降隨著路堤填土高度的不斷增加，呈現(xiàn)不斷增大趨勢，且絕大部分沉降均來自于地基土體沉降，路基表面越靠近路肩邊緣沉降越小，即沉降近似為“凹”形。

2) 彈性模量對路基總體沉降影響相對較小，其與路基沉降存在著良好的反比關(guān)系，二者近似符合公式S=0.24846-4.0714×10-4E。

3) 地基滲透性能對路基沉降產(chǎn)生著重大影響。滲透系數(shù)小于5.40×10-4m / d時，路基沉降隨滲透系數(shù)增大，大致呈線性增大趨勢；當(dāng)超過該值沉降增大趨勢變緩，其原因是滲透系數(shù)越大，地基孔隙水壓力消散越快，路基填筑完畢時沉降越趨于穩(wěn)定。實際施工過程中應(yīng)盡可能增大地基土體的透水性，以減小工后沉降。

4) 實際施工過程中增大土體彈性模量來減小沉降并不經(jīng)濟，應(yīng)當(dāng)在滿足規(guī)范前提下，著重對地基進行處理來減小沉降。