葉至韜，高玉峰，王昕遠(yuǎn)，周云東*

(1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所，江蘇 南京 210098；3.江蘇緯信工程咨詢(xún)有限公司，江蘇 南京 210014)

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，現(xiàn)有大量已建成公路難以滿(mǎn)足交通量增長(zhǎng)和社會(huì)發(fā)展的需求，所以老、舊道路拓寬擴(kuò)建工程在公路建設(shè)中已成為重中之重[1]。同時(shí)，地下空間開(kāi)發(fā)利用的熱度持續(xù)上升，大量工程棄土的處置缺乏規(guī)劃和實(shí)施計(jì)劃[2]，不僅造成土地資源的浪費(fèi)，影響城市形象，還會(huì)造成運(yùn)輸和存儲(chǔ)成本的浪費(fèi)。水泥土作為一種土、水泥、固化劑和水拌和后形成的工程材料，具有良好的力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于公路工程及其它工程的地基處理[3-5]，現(xiàn)有水泥土攪拌加固技術(shù)基本成熟，但在填筑工程中，由于施工條件復(fù)雜、施工限制因素多，回填質(zhì)量不易控制，所以鮮有應(yīng)用[6]。自密實(shí)水泥土是通過(guò)改良配合比和控制坍落度，利用工程棄土作為原料土，通過(guò)特殊機(jī)械進(jìn)行充分?jǐn)嚢栊纬傻木哂幸欢鲃?dòng)性的回填材料，拌和初期呈流動(dòng)狀態(tài)，填筑施工時(shí)無(wú)需碾壓，施工速度快，受現(xiàn)場(chǎng)條件及施工人員因素影響較小，因此，應(yīng)用自密實(shí)水泥土作為路堤拼寬工程中新路堤填料，在城市棄土資源化利用中具有突出的效益優(yōu)勢(shì)。

在路堤拼寬工程中，新老路堤在填筑時(shí)間以及受荷情況等方面的差異，導(dǎo)致它們沉降變形的差異, 這種差異沉降將誘發(fā)道路病害的發(fā)生[7-10]，鋪設(shè)土工格柵是一種減小不均勻沉降的行之有效的措施[11-12]。本文結(jié)合某路堤拼寬工程實(shí)例，選取現(xiàn)場(chǎng)棄土為原料進(jìn)行自密式水泥土室內(nèi)試驗(yàn)，并采用Plaxis2D軟件對(duì)自密實(shí)水泥土拼寬路堤沉降和穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分析了新路堤坡率、是否鋪設(shè)土工格柵對(duì)其的影響，為設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)的參考依據(jù)。

1 工程概況

圖1 路堤拼寬工程二維結(jié)構(gòu)圖(單位：m)Fig.1 Structure of embankment widening

全線(xiàn)勘探40 m深度范圍內(nèi)，據(jù)鉆探編錄鑒別和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)及室內(nèi)土工試驗(yàn)資料分析，地基土可分為5個(gè)工程地質(zhì)層。各工程地質(zhì)層埋藏分布條件及主要物理力學(xué)指標(biāo)描述如表1。

表1 主要土層物理力學(xué)指標(biāo)表

2 室內(nèi)試驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告，本工程的代表性開(kāi)挖棄土主要以素填土為主，并就近選用地下工程棄土作為補(bǔ)充，室內(nèi)配比試驗(yàn)選用這兩種土混合作為原料土，原料土的天然含水率在31.6%左右，孔隙比1.29，重度18.9 kN/m3。配比試驗(yàn)使用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥。

室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)先根據(jù)原料土的用量稱(chēng)量一定量的水泥調(diào)成水泥漿液，再將水泥漿液和原料土用攪拌器充分?jǐn)嚢杈鶆?。水泥摻入量?%、10%控制、養(yǎng)護(hù)齡期按7、14、28 d控制，測(cè)試不同配比水泥土的強(qiáng)度、抗變形能力等力學(xué)性能指標(biāo)，以及自密水泥土的流動(dòng)性和滲透性，最后得出供現(xiàn)場(chǎng)施工使用的合適配比。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

2.2.1 自密實(shí)水泥土的流動(dòng)性

自密實(shí)水泥土應(yīng)用的時(shí)間較短，目前沒(méi)有衡量其流動(dòng)性的專(zhuān)用指標(biāo)，目前實(shí)踐中均采用混凝土的坍落度指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)其流動(dòng)性。選用80、120、150、200 mm四種坍落度，經(jīng)過(guò)室內(nèi)多次試驗(yàn)，最終得出的配比見(jiàn)表2。

表2 自密實(shí)水泥土坍落度配比表

由表2可以看出，水泥土的流動(dòng)性和水泥土的初始含水率正相關(guān)，含水率高則流動(dòng)性強(qiáng)。在實(shí)際泵送試驗(yàn)過(guò)程中，過(guò)高的含水率會(huì)對(duì)其強(qiáng)度造成影響，過(guò)低的含水率又會(huì)影響水泥土的流動(dòng)性，導(dǎo)致填筑時(shí)達(dá)不到自密實(shí)的效果，因此在滿(mǎn)足施工要求及填筑自密性的前提下應(yīng)盡可能采用低的流動(dòng)性以提高固化后的強(qiáng)度及抗變形能力。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)填筑時(shí)擬采用10%水泥摻量、120 mm坍落度的水泥土進(jìn)行，以保證水泥土固化后的高強(qiáng)度及良好的自密性。

奧地利心理分析學(xué)家弗洛伊德根據(jù)古希臘神話(huà)中俄狄浦斯殺父娶母故事的分析以及他對(duì)于精神病患者的觀(guān)察，提出“戀父情結(jié)”：女孩早期的性追求對(duì)象是其父親，她總想占據(jù)母親的位置，與自己的母親爭(zhēng)奪父親的愛(ài)情。也就是戀父情結(jié)。弗洛伊德認(rèn)為戀父情結(jié)是個(gè)人人格發(fā)展的一個(gè)重要因素，并用來(lái)解釋文化與社會(huì)的起源。

2.2.2 自密實(shí)水泥土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)采用70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體試塊進(jìn)行，根據(jù)前述配比制樣裝入試驗(yàn)?zāi)Ｖ杏帽ｕr膜覆蓋，24 h后拆模放于溫度(20±0.5)℃，相對(duì)濕度大于50%的養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)至7、14、28 d齡期，進(jìn)行無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3，變形模量結(jié)果見(jiàn)表4。

表3 自密實(shí)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度表

表4 自密實(shí)水泥土變形模量表

擬采用的10%水泥摻量、120 mm坍落度，在施工完成后，水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在0.48 MPa左右，變形模量大概為80 MPa。

2.2.3 自密實(shí)水泥土的滲透性

自密實(shí)水泥土的滲透性較低，可有效抵抗地下水對(duì)自密實(shí)水泥土自身的侵蝕，起到增強(qiáng)地下結(jié)構(gòu)防滲效果的作用。在7 d齡期和28 d齡期時(shí)，對(duì)水泥摻量10%水泥摻量、120 mm坍落度的水泥土進(jìn)行了滲透性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，7 d齡期試樣滲透系數(shù)為6.71×10-7cm/s，28 d齡期試樣滲透系數(shù)為4.90×10-7cm/s，自密實(shí)水泥土滲透性系數(shù)在10-7cm/s量級(jí)，滲透性極低。

3 有限元計(jì)算與結(jié)果分析

3.1 計(jì)算模型的建立

根據(jù)項(xiàng)目概況和工程初始勘察報(bào)告等相關(guān)資料，如圖1建立二維簡(jiǎn)化有限元模型。路堤高度取3.5 m，原有路堤邊坡坡率為1∶1.5，老路反開(kāi)挖0.5 m，拼接處按原有坡率開(kāi)挖臺(tái)階，臺(tái)階寬度1.5 m。拓寬側(cè)坡率取1∶1.5、1∶1、1∶0.8、1∶0.5計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，在拓寬側(cè)設(shè)置截面尺寸0.5 m×0.5 m的砌塊限制水泥土流動(dòng)并提供支護(hù)，參照《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D30—2015[13]在反開(kāi)挖面鋪設(shè)土工格柵，對(duì)比不鋪設(shè)情況，水泥土按照每層0.5 m厚度分層填筑。計(jì)算模型地基深度取60 m，計(jì)算寬度取100 m。

3.2 參數(shù)選取與基本假設(shè)

地基及路堤各土層的計(jì)算參數(shù)取自工程勘察報(bào)告，如表1所示。根據(jù)擬選用的自密實(shí)水泥土試驗(yàn)結(jié)果，變形模量取80 MPa，參照《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》JGJ 120—2012[14]，水泥土的粘聚力取0.2～0.3倍無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，內(nèi)摩擦角為20°～30°，因此計(jì)算中粘聚力取值為100 kPa，內(nèi)摩擦角取值為20°，泊松比取值為0.3。土體均采用Mohr-Coulomb理想彈塑性本構(gòu)模型，以Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則作為屈服準(zhǔn)則。砌塊采用線(xiàn)彈性模型，重度取24.0 kN/m3，變形模量取21.6 MPa，泊松比取0.2。土工格柵軸采用彈塑性模型，軸向剛度取值為500 kN/m，極限抗拉強(qiáng)度取值為100 kN/m。

假定模型左右邊界無(wú)水平變形，只允許出現(xiàn)模型內(nèi)部與上表面出現(xiàn)位移，模型底部邊界無(wú)變形。

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

沉降主要由自重和上部荷載所導(dǎo)致，老路堤完工已久, 自身變形已經(jīng)基本完成，而新路堤工后填筑時(shí)間尚短，沉降量較大，導(dǎo)致新老路堤之間產(chǎn)生不均勻沉降，若不均勻沉降無(wú)法得到有效控制，則容易在拼接處產(chǎn)生縱向裂縫，導(dǎo)致路面病害?；诮⒌臄?shù)值計(jì)算模型，研究分析了拓寬側(cè)坡率和鋪設(shè)土工格柵對(duì)沉降以及穩(wěn)定性的影響。

3.3.1 沉降對(duì)比

圖2(a)云圖展現(xiàn)了工后總沉降，由圖可見(jiàn)沉降主要發(fā)生在新老路堤拼接位置，向路堤中部輻射，延伸至路堤中部，路堤邊坡部位沉降小。圖2(b)是工后差異沉降云圖，通過(guò)圖片可以發(fā)現(xiàn)差異沉降在新老路堤拼接處、新路堤坡腳處最明顯，在新路堤拼接的作用下，老路堤的沉降穩(wěn)定狀態(tài)被破壞，產(chǎn)生附加沉降，但工后自身變形已經(jīng)趨于穩(wěn)定，荷載產(chǎn)生的沉降量較小，其整體差異不大，新路堤由自密實(shí)水泥土填筑而成，工后需要一定時(shí)間才能趨于穩(wěn)定狀態(tài)，較老路堤而言沉降大，所以不均勻沉降也最為明顯。

圖2 路堤沉降云圖Fig.2 Nephofram of settlement of embankment

圖3(a)反映了坡率、鋪設(shè)土工格柵對(duì)完工后最大沉降的影響，不鋪設(shè)土工格柵時(shí)沉降達(dá)到2.68～4.57 cm，鋪設(shè)土工格柵后沉降量控制在2.55～3.87 cm范圍，隨著坡率變陡，沉降量隨之增大，鋪設(shè)土工格柵能夠減小路堤沉降，坡率越陡效果越明顯。圖3(b)反映了坡率、鋪設(shè)土工格柵對(duì)完工后差異沉降的影響，不鋪設(shè)土工格柵時(shí)差異沉降在0.36～0.60 cm之間，鋪設(shè)土工格柵后差異沉降在0.29～0.59 cm范圍，差異沉降量與坡率并無(wú)明顯關(guān)聯(lián)，但鋪設(shè)土工格柵對(duì)減小差異沉降發(fā)揮了作用，坡率越陡效果越明顯?？梢园l(fā)現(xiàn)，采用自密實(shí)水泥土拼寬路堤能夠控制沉降、不均勻沉降在很小的范圍內(nèi)，有良好的適用性。

圖3 不同坡率時(shí)路堤的沉降Fig.3 Settlement of embankment under different slope ratio

3.3.2 穩(wěn)定性分析

在新路堤填筑施工中，當(dāng)?shù)讓邮┕ね瓿芍练撮_(kāi)挖面后，鋪設(shè)一層土工格柵，數(shù)值計(jì)算采用強(qiáng)度折減法計(jì)算自密實(shí)水泥土路堤安全系數(shù)。圖4展示的是路堤破壞模式，從圖上可以看出，破壞模式為基底破壞，無(wú)論鋪設(shè)土工格柵與否，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面均沿著新老路堤拼接處開(kāi)展。

圖4 路堤破壞模式Fig.4 Failure mode of embankment

圖5反映了路堤邊坡安全系數(shù)隨著坡率的變化，坡率越陡，安全系數(shù)越小，在1∶1～1∶0.5坡率范圍內(nèi)，不鋪設(shè)土工格柵時(shí)安全系數(shù)在1.00～1.25之間，坡率陡于1∶1時(shí)未達(dá)到規(guī)范《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG D30—2015[13]要求的1.15，鋪設(shè)土工格柵后安全系數(shù)顯著提升至1.19～1.55，提升率在120%～125%之間，可見(jiàn)鋪設(shè)土工格柵能夠顯著提高路堤穩(wěn)定性。

圖5 不同坡率時(shí)路堤的安全系數(shù)Fig.5 Safety factor of embankment under different slope ratio

4 結(jié)論

1)自密實(shí)水泥土具有可靠、穩(wěn)定的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，擁有較高的強(qiáng)度及抗變形能力，低滲透性等特點(diǎn)，路堤拼寬工程項(xiàng)目擬采用的10%水泥摻量、120 mm坍落度的自密實(shí)水泥土無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度在0.48 MPa左右，變形模量可達(dá)80 MPa。特別是在空間受限，坡率較陡時(shí)有良好的適用性，值得推廣。

2)采用自密實(shí)水泥土作為新路堤填料能夠有效控制路堤沉降、不均勻沉降。坡率較緩時(shí)，鋪設(shè)土工格柵對(duì)沉降的影響不大，坡率較陡時(shí)，鋪設(shè)土工格柵對(duì)減小沉降與不均勻沉降效果明顯。

3)自密實(shí)水泥土路堤有較高的安全系數(shù)，能夠滿(mǎn)足道路工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，無(wú)論鋪設(shè)土工格柵與否，最危險(xiǎn)滑動(dòng)面均沿著新老路基拼接處向路堤基底開(kāi)展，鋪設(shè)土工格柵能夠顯著提高路堤的安全系數(shù)。在不鋪設(shè)土工格柵情況下，建議設(shè)計(jì)坡率緩于1∶1，鋪設(shè)土工格柵情況下，建議設(shè)計(jì)坡率緩于1∶0.5。