朱分清， 陳 群

(1.中鐵二院工程集團有限責任公司公路與市政設(shè)計研究院， 成都 610083； 2.四川大學水利水電學院水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室， 成都 610065)

填方路基即路堤在公路工程中較為普遍，路堤的沉降變形將導致路基路面病害的衍生，進而影響行車安全及舒適性，嚴重時甚至出現(xiàn)路基塌方等嚴重病害，危及道路的使用安全[1]。目前，很多學者通過理論研究、數(shù)值模擬、模型試驗等方法對填方路基的變形進行了研究。張幸幸等[2]基于等價黏彈塑性模型理論，提出了可預測長期交通荷載作用下路基沉降的方法。關(guān)振長等[3]針對某陡坡高填路堤采用BBM(Barcelona basic model)本構(gòu)模型對其分層沉降特性展開數(shù)值模擬，為路堤的沉降計算及工程設(shè)計提供參考。吳毅翔[4]根據(jù)軟基處理工程中固結(jié)變形特性，得到高速公路工前和工后考慮荷載影響的軟基沉降計算公式。王建軍等[5]研究表明，考慮應力擴散的三參數(shù)Kerr 彈性地基模型模擬能更加準確地模擬低填方加筋路堤的沉降。鄭棟等[6]提出了基于貝葉斯理論的多源信息融合方法進行路堤沉降預測。尹紫紅等[7]通過數(shù)值模擬軟土路基上路堤的分層填筑，得出路堤中線地表處的沉降量最大、向兩側(cè)逐漸減小的規(guī)律。吳福寶[8]使用分層沉降儀監(jiān)測某高填方路堤的工后沉降，并用ANSYS有限元軟件開展了不同壓實度下路堤工后沉降量分析。孫鍇等[9]利用FLAC3D軟件研究了在不同壓實度和填筑高度下路堤模型的豎向沉降、水平位移及其變化規(guī)律。蔣中明等[10]應用顯式動力有限元法，充分考慮地基土的彈塑性特性，針對車輛單次及反復加載作用下路基結(jié)構(gòu)的累積豎向變形進行了分析和探討。崔兵等[11]設(shè)計并制作了低路堤軟黏土地基模型，通過試驗獲得了低路堤軟黏土地基在交通荷載作用下的動力特性發(fā)展規(guī)律。

目前，對于車輛荷載工況下路堤填土沉降變形和壓實特性方面的研究成果不多，且黏土的壓縮性較大，黏土填方在車輛荷載作用下的變形關(guān)系到路基的安全和正常運營。為此，以某高速公路填方黏土路堤(圖1)為研究對象，采用GeoStudio有限元軟件開展路堤施工和運行的數(shù)值模擬，研究車輛荷載對不同壓實度路堤沉降的影響，為施工期和運營期黏土填方路堤的沉降和壓實度控制提供參考。

圖1 現(xiàn)場黏土路堤填筑照片F(xiàn)ig.1 Photos of on-site clay embankment filling

1 計算方法

1.1 計算軟件及計算模型

為了獲得在行車荷載作用下路堤沉降的變化規(guī)律，采用GeoStudio有限元軟件模擬路堤在填筑過程中以及荷載作用下的變形。該段地層從上至下依次為坡積黏土(厚3 m)、殘積黏土(厚9 m)、基巖，基巖的沉降基本為零，故有限元計算時不考慮基巖的變形。假定路堤填筑高度為8 m，頂寬26 m，邊坡坡率按規(guī)范取為1∶1.5。計算模型如圖2所示。

圖2 高8 m路堤計算模型Fig.2 Simulation model of 8 m high embankment

根據(jù)地勘資料，該段地下水埋深較淺，位于地表下2 m，路堤計算模型的土體構(gòu)成為路堤填筑土和地基的坡、殘積黏土。模型頂面為自由排水面，模型下部為基巖面，假定為不透水邊界，地下水位以下的邊界設(shè)置為已知水頭。模型的邊界約束條件為：底部水平和豎直方向都受到位移約束，而兩側(cè)只受到水平方向位移約束。每層路堤表面的重車荷載以及路堤頂面的行車荷載都采用均布應力邊界條件施加。

1.2 本構(gòu)模型

摩爾-庫倫本構(gòu)模型是理想的彈塑性模型，由于參數(shù)較少，其破壞準則能較好地模擬土體的破壞特征，因此在巖土工程中運用廣泛。路堤填筑黏土的模擬采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型。考慮到地基土的模量會隨深度的增大而增大，故對地基坡、殘積黏土采用模量隨豎向應力增大而增大的非線性彈塑性本構(gòu)模型[12]。

2 計算方案及參數(shù)

2.1 計算方案

考慮施工過程中的重車及公路通車運營后行車荷載對路堤填土變形影響，采用填高8 m、壓實度為85%、90%和93%的路堤分別進行分析。擬定如下3個計算方案。

方案1施工期僅考慮路堤填土自重作用。路堤每填筑1 m作為一個模擬分層，工程實際分層厚度為0.3～0.4 m，每個模擬層對應實際的3個填筑層。若實際每天填筑一層，則每層的模擬填筑時間為3 d，再繼續(xù)固結(jié)2 d，則8 m高的路堤總填筑工期為40 d。

方案2施工過程中重載車輛對路堤沉降變形的影響。假設(shè)每填筑1 m路堤，重車壓實0.5 d，再固結(jié)1.5 d，總工期與方案1相同。重車按55 t考慮，將其最重的后輪荷載140 kN均布到路堤4 m寬的一個行車道上，可得均布荷載強度為35 kPa。因施工臨時過車并非整個路面都同時受荷，對作用面積和時間折減后，采用20 kPa的均布荷載模擬重車荷載。

方案3道路運營后行車荷載對沉降變形的影響。當路堤竣工后(不考慮施工期重車荷載)，在路堤頂面兩邊除應急車道外的路面范圍施加20 kPa的均布荷載，研究行車荷載的作用對于路堤沉降的影響。本次計算分析采用的3種壓實度的路堤填土所對應的填筑干密度及最大干密度值如表1所示。

2.2 計算參數(shù)

計算參數(shù)的選擇直接影響分析的結(jié)果，地基為坡積黏土和殘積黏土，其參數(shù)來源于該高速公路項目的地勘報告；由于當?shù)厝狈Υ至Ｌ钪希返烫钪敛捎卯數(shù)亻_挖的黏土，其參數(shù)通過室內(nèi)土工試驗取得。3種不同壓實度的路堤填筑黏土及地基坡、殘積黏土的各個計算參數(shù)如表2所示。

3 結(jié)果和分析

3.1 竣工時重車荷載作用下路堤的沉降規(guī)律

圖3為無重車荷載作用竣工時不同壓實度填土路堤沉降量等值線圖?？梢钥闯?，盡管填土路堤的壓實度不同，但3種情況下竣工后路堤堤身沉降量的分布規(guī)律基本相同，其最大值均出現(xiàn)在路堤軸線附近，且距離路堤基底約1/4堤高處。因為地基的沉降量較大，致使路堤堤身發(fā)生最大沉降量的位置下移。另外，隨著填土壓實度的增大，地基的最大沉降量也略微增大。這是由于地基較厚，壓實度較大的填土自重應力較大，造成更大的地基沉降量。

圖4為有重車荷載作用竣工時不同壓實度填土路堤沉降量等值線圖。有重車作用時，沉降量最大值出現(xiàn)的位置都稍高于無重車的情況。隨著填土壓實度的增大，竣工時路堤的沉降量等值線最大值范圍略微減小。地基中沉降量等值線的分布隨壓實度的變化無明顯差異。

表3列出了各種情況下路堤和地基的最大沉降量值。圖5為竣工時路堤的最大沉降量隨壓實度的變化曲線。3種不同的壓實度情況下，施工過程中受重車荷載的路堤竣工時的最大沉降量為50.27～51.56 cm，較無重車荷載的25.35 ～28.06 cm增大80.8%～103.4%。說明施工期的重車荷載會加速路堤的固結(jié)沉降。

圖3 無重車荷載竣工時不同壓實度路堤沉降量等值線圖Fig.3 Settlement contours of embankment with different compaction degree at completion without heavy vehicle load

圖4 有重車荷載竣工時不同壓實度路堤沉降量等值線圖Fig.4 Settlement contours of embankment with different compaction degree at completion with heavy vehicle load

表2 路堤填土和地基土的計算參數(shù)

表3 路堤及地基的最大沉降量值

圖5 竣工時路堤最大沉降量隨填土壓實度的變化Fig.5 Change in maximum settlement with compaction degree of embankment at completion

有無重車荷載作用時，竣工時路堤最大沉降量隨壓實度變化而變化的規(guī)律不同。無重車荷載時，最大沉降量隨壓實度的增大而略有增大，由表3中數(shù)據(jù)可知，壓實度93%的路堤的最大沉降量比壓實度85%的路堤增大10.7%。這是因為填土的壓實度越大，自重應力就越大，引起的地基沉降就更大，故竣工時路堤的最大沉降量受地基變形的影響更大。有重車荷載時，最大沉降量隨壓實度的增大而略有減小，壓實度93%的路堤的最大沉降量比壓實度85%的減小1.6%。說明施工期的重車荷載主要作用于路堤本身，對地基的作用較小，因此，壓實度較大的路堤最大沉降量較小。重車荷載作用下，路堤填土壓實度越大，最大沉降量的增量就越小，說明路堤填土越密實，其沉降受重車荷載的影響就越小。

圖6 竣工時堤身最大相對沉降量隨填土壓實度的變化Fig.6 Change in maximum relative settlement with compaction degree of embankment itself at completion

圖6為施工期堤身的最大相對沉降量隨填土壓實度的變化曲線。最大相對沉降量為扣除地基表面沉降量后路堤本身的最大沉降量。各種壓實度情況下，受重車荷載的路堤竣工時堤身的最大相對沉降量為4.39～6.09 cm，較無重車荷載的1.95～2.31 cm，增大125.1%～163.6%。受重車荷載的路堤竣工時堤身的最大相對沉降量都隨壓實度的增大而減小。這是因為壓實度越大，填土越硬，因此堤身的沉降量越小，最大沉降量也就越小。有重車荷載時，最大相對沉降量隨壓實度的減小比無重車時更明顯，重車荷載產(chǎn)生的沉降增量隨壓實度的增大略微減小，這是由于壓實度小的填土更松散，對重車荷載的作用更敏感。對比圖5和圖6可知，堤身的沉降量占總沉降量的比例很小，這是因為路堤之下的地基較厚，總沉降量的大部分是地基的沉降。并且重車荷載對堤身沉降的影響大于對地基沉降的影響。

3.2 運營期行車荷載作用下路堤的沉降規(guī)律

圖7為運營期行車荷載下不同壓實度填土路堤沉降量等值線圖。可知，盡管壓實度不同，但3種情況下運營期路堤堤身沉降量的分布規(guī)律基本相同，其最大值均出現(xiàn)在路堤軸線附近，距離路堤基底約1/3堤高處，且填土壓實度越大，沉降量越小。

圖7 運營期行車荷載作用下不同壓實度路堤沉降量 等值線圖Fig.7 Settlement contours of embankment with different compaction degree in operation period with traffic load

圖8為運營期路堤的最大沉降量隨壓實度的變化曲線。由表3和圖8可知，行車荷載作用后路堤的最大沉降量達到33.24～34.68 cm，比竣工時增大6.62～7.89 cm，增量達23.6%～31.1%。行車荷載作用后路堤的最大沉降量隨壓實度的增大而略有增大。這是因為路堤的自重荷載大于行車荷載，壓實度較大的路堤自重較大，故造成地基沉降量也較大。壓實度越大，路堤最大沉降量增量越小，壓實度93%的路堤的行車沉降增量比壓實度85%的減小16.1%。說明行車荷載對路堤沉降量的影響隨著填土壓實度的增大而減小。

圖9為運營期堤身的最大相對沉降量隨壓實度的變化曲線?？芍鞣N壓實度情況下，行車荷載作用后堤身的最大相對沉降量達到2.48～4.01 cm，比竣工時增大0.5～1.7 cm，增量達27.2%～73.6%。行車荷載作用前、后堤身的最大相對沉降量都隨壓實度的增大而減小。原因是壓實度越大，填土越硬，因此堤身的壓縮量明顯越小。說明行車荷載對堤身壓縮量的影響隨壓實度的增大而減小。對比圖8與圖9可知，行車荷載對單位厚度路堤填土的壓縮量影響大于對單位厚度地基沉降量的影響。

由表3中數(shù)據(jù)可知，竣工時無行車荷載作用下，隨壓實度的增大，路堤最大沉降量從25.35 cm增大至28.06 cm，增大10.7%(主要源于地基變形)；堤身最大相對沉降量從2.31 cm減小至1.95 cm，減小15.6%。運營期有行車荷載作用下，路堤最大沉降量隨壓實度的增大從33.24 cm增大至34.68 cm，增大4.3%；堤身最大相對沉降量從4.01 cm減小至2.48 cm，減小38.2%。對比前面的分析可知，行車荷載對路堤本身沉降量的影響大于對地基沉降量的影響。這是因為行車荷載對路堤沉降的影響分為兩部分，一是對地基的壓縮，二是對路堤本身的壓縮。荷載直接作用于路堤，對路堤的作用效應遠大于對地基的作用。而壓實度的增大一方面造成路堤本身壓縮量的減小，同時，由于密度的增大會給地基施加更大的壓力而造成更大的地基沉降。

圖8 運營期路堤的最大沉降量隨填土壓實度的變化Fig.8 Change in maximum settlement with compaction degree of embankment in operation period

圖9 運營期堤身最大相對沉降量隨填土壓實度的變化Fig.9 Change in maximum relative settlement with compaction degree of embankment itself in operation period

4 結(jié)論

通過對某高速公路地基上的黏土填方路堤在施工期重車荷載以及運營期行車荷載作用下路堤變形的有限元數(shù)值模擬分析，得出以下結(jié)論。

(1)對于不同壓實度的路堤，施工過程中的重車荷載作用使路堤的沉降量增大80.8%～103.4%，有利于路堤的固結(jié)沉降。重車荷載對路堤總沉降量和堤身相對沉降量的影響都隨壓實度的增大而減小。且重車荷載對堤身沉降的影響大于對地基沉降的影響。

(2)運營期行車荷載作用后路堤的沉降量和堤身的壓縮量都增大。路堤最大沉降量和堤身最大相對沉降量增量分別為23.6%～31.1%和27.2%～73.6%。行車荷載引起的最大沉降量和堤身最大相對沉降量增量都隨壓實度的增大而減小。

(3)路堤壓實度越大，車輛荷載對路堤沉降的影響越小，且對堤身沉降的影響大于對地基的影響。