軟土地區路基沉降數值分析

文/新疆維吾爾自治區交通規劃勘察設計院 鄭建斌

在我國，軟土主要分布在東南沿海、內陸河湖及山間谷地等地區，分布范圍廣泛。因此，在修建公路時，經常會遇到軟土地基。由于軟土自身的特性，在軟土地區填筑路基時，會面臨一系列的工程問題，特別是當道路投入運營后，路基的不均勻沉降會導致路基路面出現沉陷、開裂等病害，嚴重影響道路的使用壽命和行車舒適性。近年來，許多學者對軟土的物理力學性質進行了研究，指出軟土的工程性質與其微觀機構有很大的聯系。為了較好地處治軟土地基，控制不均勻沉降，必須先掌握軟土地基上路基的不均勻變形特點，本文將采用數值模擬的方法對軟土地區路基的不均勻沉降規律進行探究。

模型的建立

本文運用Geostudio數值軟件中的Sigma/w模塊來模擬軟土地區公路路基的沉降狀況。為了便于計算，將路基模型簡化為二維模型，從而將其轉變為平面應變問題來研究。計算時所采用的本構模型為“摩爾-庫倫模型”，邊界條件設置為限制模型左右邊界的水平位移，同時限制模型下邊界在水平方向、豎直方向上的位移。路基寬度為28m，邊坡坡度1：1.5，高度為5m；根據規范要求，地基計算寬度不得小于路基寬度的3倍，而地基的計算深度如公式一所示。本文取地基計算寬度為100m，地基計算深度為40m，滿足要求。此外，在路基和地基中間設置1m厚的砂土墊層。

式中：Zn為地基計算深度，b為路基寬度。

網格劃分時采用的是四邊形和三角形網格，網格尺寸為1m。路基的幾何圖和網格劃分圖分別如圖1和圖2所示，路基土和地基土的材料參數如表1所示。

將計算時間設為180天，路基沉降180天后路基模型網格變化如圖3所示，可得知，路基發生了明顯的沉降。以路基中心為原點，路基頂面沉降量沿著路基寬度的分布如圖4所示。

由圖4可知，路基頂面沉降值沿路基中心對稱分布，而且路基頂面沉降曲線呈拋物線狀：其中路基中心處沉降量最大，達到1.118m；左、右路肩處（±14m處）的沉降量最小，為1.065m；路基中心和路肩處的沉降差為0.053m。

圖1 路基幾何模型

圖2 路基網格劃分圖

表1 路基和地基材料參數

圖3 180天后路基模型網格變化圖

圖4 路基頂面沉降曲線圖

地基回彈模量對路基沉降的影響

研究表明軟土地區路基沉降與地基的回彈模量息息相關，為了研究地基回彈模量對路基沉降的影響，分別選取五種不同的地基回彈模量參數，如表2所示。將這些參數導入到圖1所示的路基模型中，得出的五種地基上路基頂面的沉降曲線如圖5所示。

由圖5可知，不同地基回彈模量下，路基頂面沉降值均在路基中心處最大，而在兩側路肩處最小。但是，當地基回彈模量不同時，路基頂面沉降值的大小有很大的差別：五種地基回彈模量下，路基頂面最大沉降值分別為1.118m、0.748m、0.563m、0.452m和0.377m；即當地基回彈模量為10000kPa時，路基頂面最大沉降值為地基回彈模量30000kPa時的2.97倍。

表2 路基和地基材料參數

表3 路基和地基材料參數

圖5 不同地基回彈模量下路基頂面沉降曲線圖

圖6 不同路基填料重度下路基頂面沉降曲線圖

此外，由圖5可知，地基回彈模量越大，沉降曲線越平緩，也就是說，地基回彈模量不同，路基頂面差異沉降（即路基頂面最大沉降值和最小沉降值之差）也有很大的差別：當地基回彈模量為10000kPa時，路基頂面差異沉降高達0.053m；隨著地基回彈模量的增大，路基頂面差異沉降逐漸減小，當地基回彈模量為30000kPa時，路基頂面差異沉降僅為0.019m。

可見，地基回彈模量越大，路基頂面的沉降值和差異沉降值越小。因此，若軟土地基不進行加固處置，其地基回彈模量較小，會導致路基沉降量過大；對軟土地基進行加固處置，能提高軟土地基的回彈模量，從而顯著減小路基的不均勻沉降。

路基填料重度對路基沉降的影響

近年來輕質路基填料受到廣大研究者的關注，為了研究路基填料的重度對軟土地區路基沉降的影響，采用圖1所示的路基模型，現分別選取四種路基填料重度進行計算，具體材料參數如表3所示。四種路基填料重度下，路基頂面的沉降曲線如圖6所示。

由圖6可知，路基填料的重度對路基頂面沉降有很大的影響：路基填料的重度越大，路基頂面沉降就越大。當路基填料的重度分別為5kN/m3、10kN/m3、15kN/m3及20kN/m3時，路基頂面最大沉降值分別為：0.959m、1.016m、1.072m及1.129m。其中，路基填料重度為20kN/m3時的路基頂面最大沉降為路基填料重度為5kN/m3時的1.18倍。

五種路基填料重度下，路基頂面沉降曲線的斜率差別較大，這表明路基頂面差異沉降也有很大的差別：當路基填料重度為5kN/m3時，路基頂面差異沉降較小，數值為0.014m；當路基填料重度為20kN/m3時，路基頂面差異沉降高達0.056m，是前者的4倍。可見，路基填料重度亦是影響軟土地區路基沉降的重要因素之一。在經濟條件滿足的條件下，可以考慮采用輕質路基填料來填筑路基，如EPS、泡沫混凝土等，以減少軟土地區路基沉降。

結論

本文通過建立軟土地區路基的數值模型，計算了不同條件下路基的沉降值，并對路基沉降的影響因素進行了分析，得出了以下結論：

地基回彈模量對路基沉降有很大的影響：路基頂面沉降值和差異沉降值均隨著地基回彈模量的增大而減小。因此，在修筑公路之前，影對軟土地區的地基記性加固處治。

路基填料的重度是影響路基沉降的重要因素之一，路基填料越輕，則路基頂面沉值越小；此外，路基頂面差異沉降值也隨著路基填料重度的減小而減小。因此，用輕質路基填料填筑路基是控制路基沉降的有效方法之一。