考慮分層填筑的高路堤沉降變形特性分析

劉美芳，蔣 鑫，陳曉麗，邱延峻

考慮分層填筑的高路堤沉降變形特性分析

劉美芳，蔣 鑫，陳曉麗，邱延峻

（1. 西南交通大學(xué)，土木工程學(xué)院，成都 610031；2. 西南交通大學(xué)，道路工程四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；3. 西南交通大學(xué)，高速鐵路線路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031）

為研究高路堤動(dòng)態(tài)填筑全過(guò)程沉降變形特性, 基于非線性有限元數(shù)值模擬, 對(duì)比分析高路堤與一般路堤分層動(dòng)態(tài)填筑過(guò)程中地基面沉降、路堤面沉降和坡腳處地基剖面?zhèn)认蛭灰频姆植佳葑円?guī)律, 討論填料輕質(zhì)化、壓實(shí)度提高對(duì)沉降變形的影響。研究發(fā)現(xiàn): 高路堤分層填筑全過(guò)程中堤身荷載不容忽視, 采用輕質(zhì)填料可極大減小高路堤的壓縮變形和地基沉降; 隨著壓實(shí)度的提高, 如路堤填土彈性模量增加2倍, 高路堤路基面沉降則減小16. 9%, 而地基面沉降和坡腳處地基剖面?zhèn)认蛭灰朴绊懮跷ⅰ?/p>

高路堤；動(dòng)態(tài)施工；數(shù)值模擬；沉降變形特性；輕質(zhì)填料；壓實(shí)度

0 引 言

隨著山區(qū)高速公路建設(shè)的快速挺進(jìn)，將不可避免地修建大量的高路堤工程。高路堤常被稱為高填方路堤、高邊坡路堤等?！豆仿坊O(shè)計(jì)規(guī)范》[1]中規(guī)定邊坡高度超過(guò)20m的路堤為高路堤，因土質(zhì)、地基等情況各異，目前高路堤尚未形成一個(gè)嚴(yán)格統(tǒng)一的判別標(biāo)準(zhǔn)。從宏觀上看，受地形地貌、填料性質(zhì)、水文地質(zhì)、施工壓實(shí)和行車荷載等因素的影響，高路堤常出現(xiàn)因整體下沉或者局部下沉、不均勻沉降而誘發(fā)的縱橫向開(kāi)裂、路基滑動(dòng)或者坍塌等病害，直接危害到行車舒適性和安全性。

高路堤的沉降行為得到眾多研究者的高度關(guān)注。吳福寶[2]依托廈沙高速公路某高填方路堤，使用分層沉降儀監(jiān)測(cè)路堤工后240天的沉降量，結(jié)合有限元分析得出高路堤工后沉降量。Jia Liang[3]為研究高填方路基在重力應(yīng)力和車輛荷載作用下的施工后沉降，對(duì)蘭州至永京高速公路進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，分析了沉降隨時(shí)間和空間的演化規(guī)律。王金明[4]開(kāi)展了高填方路基填料類型對(duì)不同時(shí)期沉降規(guī)律影響的對(duì)比分析。魏道凱[5]依托武漢天河機(jī)場(chǎng)第二通道高速公路實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，基于FLAC3D建立高填方路基沉降模型，利用雙曲線法等不同的曲線擬合方法，得到路堤的沉降曲線擬合模型。

此外，LUO Junhui[6]將模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型相結(jié)合，根據(jù)河白高速公路路基的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了路基沉降計(jì)算模型。景宏君[7]采用經(jīng)修正了的非勻速填土和非等步長(zhǎng)沉降觀測(cè)時(shí)間的GM（1，1）灰色理論預(yù)測(cè)模型進(jìn)行高路堤工后最終沉降量預(yù)測(cè)。景宏君[8]采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論分析相結(jié)合的方法對(duì)高填方路基沉降進(jìn)行了分析，灰色模型理論預(yù)測(cè)路堤的不同階段和最終沉降，根據(jù)沉降試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。張衛(wèi)兵[9]在分層總和法的基礎(chǔ)上考慮土的側(cè)向變形，引入壓縮模量隨填土應(yīng)力變化的修正，提出了側(cè)向變形影響的修正系數(shù)表達(dá)式，得出高路堤自身最終沉降量簡(jiǎn)化計(jì)算模型。甘鵬山[10]結(jié)合資溪花山界至里木高速公路高填方工程，采用有限元方法模擬并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，研究了高填方路堤在填筑全過(guò)程中的變形應(yīng)力特征及其變化規(guī)律。

以上研究積極地促進(jìn)了高路堤沉降特性的深入理解，但因現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、模型試驗(yàn)等手段存在成本高、周期長(zhǎng)等缺陷，在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)有限元等數(shù)值模擬方法仍是分析高路堤沉降變形特性的有力武器。注意到路堤堤身高不可能一次性填筑完畢，同時(shí)土體的材料非線性特征突出，必須在有限元分析中高度重視路堤的分層分步填筑，即考慮動(dòng)態(tài)施工力學(xué)行為，計(jì)入施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)要素（含形體、尺寸和材料）和外來(lái)作用因素（含荷載、溫度和約束條件）的變化對(duì)完建狀態(tài)的結(jié)構(gòu)內(nèi)部響應(yīng)（含位移、應(yīng)變和應(yīng)力等）的影響[11]。文獻(xiàn)[11]將此類問(wèn)題歸納為變結(jié)構(gòu)非線性問(wèn)題，并強(qiáng)調(diào)“對(duì)于考察體完建狀態(tài)的模擬必須采用動(dòng)態(tài)建模的仿真手段”。為此，本文嘗試運(yùn)用享有國(guó)際聲譽(yù)的巖土工程專業(yè)有限元軟件PLAXIS，充分考慮路堤的分層填筑，探討在堤身荷載作用下地基的沉降變形特性，進(jìn)而分析路堤填料輕質(zhì)化、路堤壓實(shí)質(zhì)量提高等的科學(xué)性，以期為工程提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模型的建立

假定高速公路為雙向四車道整體式路基，路基面寬度為26m，路堤高度=22m，遵照公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D30—2015），取路堤邊坡坡比由上至下依次為1：1.5（上部8m）、1：1.75（中部12m）、1：2（下部2m）?？紤]到該問(wèn)題具有典型的對(duì)稱性，為減小計(jì)算規(guī)模、節(jié)省機(jī)時(shí)，取右半結(jié)構(gòu)予以分析，同時(shí)視為平面應(yīng)變問(wèn)題[12]。經(jīng)過(guò)試算，數(shù)值模型中地基寬度為120m，深度為80m，以盡量避免、削減邊界條件的影響。地下水位線處于模型底部，模型示意見(jiàn)圖1所示。

圖1 高路堤有限元模型示意圖（單位：m）

選用理想彈塑性本構(gòu)模型，路堤填土和地基土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系均服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，材料類型選擇不排水，參考文獻(xiàn)[13]，選取相應(yīng)的材料參數(shù)如表1所列。

表1 路堤填土和地基土的材料參數(shù)

Tab.1 Material parameters of the embankment filling and foundation soil

采用15節(jié)點(diǎn)高精度三角形單元、自動(dòng)剖網(wǎng)方式離散模型。模型的底側(cè)視為水平向、垂直向雙向位移約束，左右兩側(cè)水平向約束、垂直向自由，以模擬在堤身自重荷載作用下的壓密沉降。同時(shí)為更好地體現(xiàn)高路堤沉降變形的特殊性、復(fù)雜性，另取高度=6m的一般填方路堤，依據(jù)文獻(xiàn)[14]知坡度變化對(duì)沉降的影響微乎其微，同時(shí)貼合工程實(shí)際，取邊坡坡比為1：1.5，在其他條件不變的前提下進(jìn)行高路堤與一般填方路堤的橫向?qū)Ρ取?/p>

實(shí)際工程中，路堤的填筑具有典型的分層逐級(jí)加載特征，且土體材料非線性行為不容忽視，顯然在數(shù)值模型中必須充分、正確地考慮路堤填筑這一動(dòng)態(tài)施工力學(xué)行為，對(duì)于高路堤更是如此。另一方面，早期曾將路堤分層填筑簡(jiǎn)化為荷載的逐級(jí)施加，這無(wú)疑未能妥善處理路堤填土荷載的柔性，與實(shí)際情況出入較大[15]。本文首先凍結(jié)路堤填土，采用0過(guò)程的方式，將地基自重應(yīng)力視為初始應(yīng)力，然后通過(guò)軟件內(nèi)嵌的分步建造（Staged construction）功能，逐步激活路堤填土各層，模擬路堤填筑施工過(guò)程，高路堤、一般填方路堤均按1m/層予以填筑。

2 主要計(jì)算分析結(jié)果及討論

2.1 地基面沉降

圖2（a）給出了高路堤（= 22m）地基面沉降隨逐級(jí)加載而變化的全過(guò)程分布?？芍?，隨著路堤土的分層逐級(jí)填筑，地基面沉降逐漸增大，但增加的趨勢(shì)有所變緩。路堤中心線處地基面沉降最大，越遠(yuǎn)離中心線則越??；在路堤荷載范圍以內(nèi)沉降變化較大，坡腳以外的沉降變化則趨于相對(duì)平緩。圖2（b）則給出了一般填方路堤（= 6m）全過(guò)程加載與高路堤前6級(jí)加載地基面沉降分布的對(duì)比，相較于一般填方路堤的各級(jí)加載，高路堤每一級(jí)填筑地基面都將產(chǎn)生更大的沉降量，且增量的變化亦呈逐漸增大的趨勢(shì)，6級(jí)加載后兩者沉降差值達(dá)到1.52倍。高路堤全部填筑完畢后最大沉降值達(dá)到758.35mm，是一般填方路堤的4.36倍。圖2（c）表明坡腳點(diǎn)的沉降隨逐層填筑而逐漸增大，高路堤趨勢(shì)明顯大于一般填方路堤，且增大趨勢(shì)隨著填高的增加而逐漸增大。填筑到6m時(shí)，高路堤是一般填方路堤的1.14倍，全部填筑完畢后則達(dá)到2.57倍。相對(duì)于一般填方路堤，高路堤將使地基產(chǎn)生更大的壓縮變形量。

2.2 填筑層頂面沉降

圖3（a）給出了高路堤分層逐級(jí)填筑過(guò)程中每填筑層頂面的沉降分布曲線。隨著路堤的填筑，各填筑層頂面的沉降分布曲線較為平緩，沉降逐層增加，但增加的趨勢(shì)略微減弱。圖3（b）為一般填方路堤全過(guò)程加載與高路堤前6級(jí)加載各填筑層頂面沉降分布的對(duì)比，相較于一般填方路堤的各級(jí)加載，高路堤每一級(jí)填筑后都會(huì)產(chǎn)生更大的沉降量，且其增量亦呈逐漸增大的趨勢(shì)。填筑到6m時(shí)，高路堤是一般填方路堤的1.50倍，全部填筑完畢后則達(dá)到4.98倍。相對(duì)于一般填方路堤，高路堤自身會(huì)產(chǎn)生更大的壓縮變形量，且隨著填筑高度的增加而增加。

圖3 各填筑層頂面的沉降分布

2.3 坡腳處地基的側(cè)向位移

圖4給出了高路堤和一般填方路堤填筑全過(guò)程中坡腳處地基剖面（即圖中的1-1剖面）側(cè)向位移沿深度的分布。可見(jiàn)，隨著路堤的逐級(jí)填筑，坡腳處地基剖面的側(cè)向位移逐漸增大，呈現(xiàn)向右的“凸?fàn)睢?，增大的趨?shì)有所減小。側(cè)向位移沿地基深度的分布表現(xiàn)為先負(fù)后正。圖4（b）還進(jìn)一步給出了一般填方路堤全過(guò)程加載與高路堤前6級(jí)加載坡腳處地基剖面?zhèn)认蛭灰蒲厣疃鹊姆植?，高路堤坡腳點(diǎn)的側(cè)向位移正向值、負(fù)向值分別為一般填方路堤的2.04倍、1.79倍；填筑完畢后正向值、負(fù)向值分別達(dá)到一般填方路堤的5.82倍、3.08倍。圖4（c）則表明坡腳點(diǎn)的水平位移呈逐漸增大的趨勢(shì)，路堤由1m至6m的填筑過(guò)程中，高路堤坡腳點(diǎn)的水平位移明顯大于一般填方路堤，且增大的趨勢(shì)亦隨著填高的增加而逐漸增大。填筑至6m時(shí)，高路堤坡腳點(diǎn)的側(cè)向位移是一般填方路堤的1.79倍，完全填筑完畢后則達(dá)到3.08倍。

3 填料輕質(zhì)化、壓實(shí)度提高對(duì)高路堤沉降特性的影響

3.1 填料輕質(zhì)化對(duì)高路堤沉降變形的影響

前文分析已經(jīng)表明，高路堤因填筑土方量大，將引起較大的沉降變形?！豆仿坊O(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）指出輕質(zhì)材料可以作為減少路堤重度或者土壓力的路堤填料，主要包括土工泡沫塑料、泡沫輕質(zhì)土、粉煤灰等。不妨在數(shù)值模型中通過(guò)調(diào)整路堤填料的重度，將γ初始值19kN/m3，與4kN/m3、9kN/m3和14kN/m3等3種工況進(jìn)行對(duì)比，分別獲得地基面和路堤面的沉降分布、坡腳處地基剖面的側(cè)向位移分布（見(jiàn)圖5），從而量化填料輕質(zhì)化對(duì)高路堤沉降變形的影響。

由圖5可知，隨著填料重度的逐漸減小，地基面和路堤面的沉降、坡腳處地基剖面的側(cè)向位移均明顯減小，填料重度由19kN/m3降至4kN/m3，降低了78.9%，高路堤地基面沉降、路堤面沉降最大值、坡腳處地基剖面?zhèn)认蛭灰普蛑岛拓?fù)向值（絕對(duì)值）均降低78.9%，這意味著路堤自身的變形已大幅變小，對(duì)地基產(chǎn)生的附加應(yīng)力、變形也很大程度被削弱。在工程實(shí)踐中可綜合考慮經(jīng)濟(jì)效益、施工可行性和環(huán)境保護(hù)等因素，合理選用輕質(zhì)填料，減小因路堤高度偏高而帶來(lái)過(guò)大沉降變形的負(fù)面影響，使得整個(gè)路堤結(jié)構(gòu)處于良好的工作狀態(tài)。

3.2 壓實(shí)度提高對(duì)高路堤沉降變形的影響

壓實(shí)度是路堤施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵指標(biāo)之一，顯然壓實(shí)度越高，密實(shí)程度越大，可通過(guò)調(diào)整路堤土彈性模量的方式間接地模擬壓實(shí)度的變化。為分析壓實(shí)度提高對(duì)高路堤沉降變形的影響，通過(guò)調(diào)整路堤土彈性模量，將其初始值15MPa與25MPa、35MPa和45MPa等3種工況對(duì)比分析，分別獲得路堤面和地基面的沉降分布、坡腳處地基剖面的側(cè)向位移分布（見(jiàn)圖6）。

圖6表明，隨著壓實(shí)度的提高，路堤面的沉降逐漸減小，且減小趨勢(shì)明顯變緩，路堤土彈性模量增加2倍，高路堤路基面沉降減小16.9%，但地基面沉降和坡腳處地基剖面?zhèn)认蛭灰茰p小幅度甚小。在工程實(shí)際中，不宜片面地僅依賴提高壓實(shí)度的方法來(lái)減小高路堤沉降變形，需在充分考慮施工機(jī)械、經(jīng)濟(jì)成本等各方面因素的基礎(chǔ)上制定壓實(shí)度的合理標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論與建議

（1）高路堤分層填筑全過(guò)程中堤身荷載不容忽視，相較于一般填方路堤的各級(jí)加載，高路堤每一級(jí)填筑后都會(huì)產(chǎn)生更大的變形。同等條件下加載到路堤高度6m，地基面沉降量高路堤是一般填方路堤的1.52倍，路堤沉降量是1.50倍，坡腳處地基剖面?zhèn)认蛭灰普?、?fù)向分別為2.04倍、1.79倍。高路堤完全填筑后地基面沉降量是一般填方路堤的4.36倍，路堤沉降量是4.98倍，坡腳處地基剖面?zhèn)认蛭灰普?、?fù)向分別為5.82倍、3.08倍。

（2）采用輕質(zhì)填料，填料重度由19kN/m3降至4kN/m3，降低了78.9%，高路堤地基面沉降、路堤面沉降最大值、坡腳處地基剖面?zhèn)认蛭灰普蛑导柏?fù)向值（絕對(duì)值）均降低78.9%，輕質(zhì)填料可顯著地降低路堤本體的壓縮變形和地基沉降，工程實(shí)踐中應(yīng)合理設(shè)計(jì)，充分考慮輕質(zhì)填料的應(yīng)用。

（3）隨著壓實(shí)度的提高，如路堤土彈性模量增加2倍，高路堤路基面沉降則減小16.9%，而地基面沉降和坡腳處地基剖面?zhèn)认蛭灰茰p小幅度甚小。在工程實(shí)際中，不宜片面地僅依賴提高壓實(shí)度的方法來(lái)減小高路堤沉降變形，需在充分考慮施工機(jī)械、經(jīng)濟(jì)成本等各方面因素的基礎(chǔ)上制定壓實(shí)度的合理標(biāo)準(zhǔn)。

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Analysis of Settlement Deformation Characteristics of Layered Buried High Embankment

LIU Mei-fang，JIANG Xin，CHEN Xiao-li，QIU Yan-jun

（1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Highway Engineering Key Laboratory of Sichuan Province, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 3. MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China）

To study the settlement deformation characteristics of high embankments during the dynamic filling process, nonlinear finite element numerical simulation was used to compare and analyze the foundation settlement, embankment settlement, and lateral displacement of the foundation section at the foot of the slope. The influence of lightweight filler material and increasing compaction on settlement deformation was also studied. The study found that high embankment body load cannot be ignored in the entire process of layered embankment filling. Compression deformation and foundation settlement of the embankment body can be significantly reduced and the application of lightweight packing should be taken into consideration. As the degree of compaction increased, the elastic modulus of the embankment soil increased by a factor of 2 and the settlement of high embankment subgrade decreased by 16. 9 %, whereas the settlement of the foundation surface and lateral displacement of the foundation section at the foot of the slope were not significantly affected.

high embankment; dynamic construction; numerical simulation; settlement deformation characteristics; lightweight filler; compaction degree

U416.1

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2020.01.008

1672-4747（2020）01-0061-08

2019-04-04

四川省科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（2019YFS0492）；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51378440）

劉美芳（1985—），女，西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院博士研究生，研究方向：道路工程路基路面方向，E-mail：meifang621 @163.com

蔣鑫（1976—），男，教授，博士，從事道路路基路面工程教學(xué)科研，E-mail：xjiang@163.com

劉美芳，蔣鑫，陳曉麗，等. 考慮分層填筑的高路堤沉降變形特性分析[J]. 交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào)，2020，18（1）：61-67, 76.

（責(zé)任編輯：劉娉婷）