非連續(xù)施工條件下路堤填土壓實度特性分析

■ 林 堃

（1.福建省交通科學技術研究所；2.福建省公路水運工程重點實驗室，福州 3 50004）

1 引言

針對潮濕多雨地區(qū)路堤填土，在福建省寧德京臺高速公路A3合同段試驗研究的基礎上選取典型斷面K78+700，采用有限元方法進行數值模擬分析。依據《潮濕多雨地區(qū)路基填土壓實特性與填筑質量控制標準研究》課題成果，模型中考慮非飽和路堤填土的應力和滲流耦合，通過模擬路堤填筑施工過程以及竣工后隨時間不斷固結過程，可以獲得路堤的沉降量、水平位移以及體積應變，由體積應變可求得體積變化量，進而求得固結后的密度，最終可由密度求得壓實度，進而分析壓實度隨各種因素的變化規(guī)律。以下針對潮濕多雨地區(qū)填土在非連續(xù)施工條件下路堤土壓實特性進行分析。

2 計算方法

2.1 計算軟件簡介

本次對路堤的有限元計算分析采用的是GeoStudio有限元軟件中的SIGMA/W和SLOPE/W模塊，通過對路堤填筑過程進行應力-滲流耦合模擬，獲得路堤和地基的應力應變分布規(guī)律，進而研究壓實度在各種工況下的變化規(guī)律。SIGMA/W是一個專門分析巖土結構應力和變形的有限元軟件，它可用于多種不同的應力應變本構關系的分析，從簡單的線彈性分析到復雜的非線性彈塑性分析。加載和卸載都可以分步進行，并且還可以實現與滲流模塊的耦合求解，考慮施工過程中隨孔隙水壓力的變化而產出的固結變形。SLOPE/W模塊可用于各種巖土邊坡的穩(wěn)定性分析，提供多種基于極限平衡的邊坡穩(wěn)定性分析方法和有限元邊坡穩(wěn)定性分析方法，由于有限元方法能夠考慮邊坡的實際應力和變形狀態(tài)，因此本次采用有限元方法進行路堤的穩(wěn)定性分析。

2.2 計算模型和參數

依據計算方案選取不同高度的路堤典型橫剖面進行計算。依據地質勘測剖面圖，地表存在約12m深的粘性土，之下為巖基，基巖的變形遠小于地基粘土，其變形可以忽略。因此路基以下的地基深度取12m，表層3m為坡積粘土，之下9m為殘積粘土。地基表面從堤腳向兩側延伸寬度為35m，堤頂寬度都為26m，堤高為8m，坡比為1∶1.5。

本次分析需要考慮施工過程中路堤的變形，因此需要采用應力—滲流耦合分析，這就需要對計算模型的邊界同時設置應力變形約束和滲流邊界條件。對壩基底面施加x和y方向的雙向約束，在地基的左右兩側約束x方向位移，允許豎向自由沉降，對于滲流邊界，地基底面為不透水邊界，地基的左右兩側依據地下水位深度設置水頭邊界，地面和填筑體表面為自由排水邊界。初始地下水位設置在地面以下2 m深度處。有限元模型網格劃分如圖1所示。

圖1 有限元計算模型

表1 路堤填土和地基土的計算參數

路堤填土的計算參數都由室內試驗獲取，地基的計算參數參考地勘報告中鉆孔取樣的數據獲取。滲流分析時采用飽與非飽和滲流方程，非飽和分析需用的土—水特征曲線依據填土的級配曲線估算，非飽和滲透函數由土—水特征曲線估算。不同壓實度、不同含水率的路堤填土及地基土坡積和殘積粘土的計算參數如表1所示。

3 有限元計算分析

南方多雨地區(qū)經常會遇到降雨而被迫停工，因而無法連續(xù)施工。為研究非連續(xù)施工對路堤壓實度的影響，采用初始壓實度93%、高8 m的路堤進行計算分析，非連續(xù)施工采用每填筑1 m間歇5 d、10 d、20 d、30 d和60 d五種方案，之后繼續(xù)填筑下一層。這五種方案的填土高度隨時間的變化如圖2～7所示。

3.1 不同施工間歇時間路堤的沉降規(guī)律

經計算可知：不同施工間歇時間的路堤的堤身沉降量分布規(guī)律類似，沉降量最大值都出現在路堤軸線、距堤基約1/3堤高處，隨著施工間歇時間的增大，竣工時堤身中浸潤線的位置降低；沉降穩(wěn)定時不同施工間歇時間的路堤的堤身沉降量分布規(guī)律類似，沉降量最大值都出現在路堤軸線、距堤基約1/3至1/2堤高處，隨著施工間歇時間的增大，沉降穩(wěn)定時路堤的固結沉降量減小。這是因為施工間歇時間越長，孔隙水壓力就有更充分的時間消散，施工期的固結程度就越高，因此最終的沉降量會越小。圖2為施工間歇時間5d時高8 m的路堤竣工時沉降量等值線圖。圖3為施工間歇時間5d時高8 m的路堤沉降穩(wěn)定時沉降量等值線圖。

圖2 施工間歇時間5 d時竣工沉降量（m）等值線圖

圖3 施工間歇時間5 d沉降穩(wěn)定時沉降量（m）等值線圖

圖4為路堤的最大沉降量隨施工間歇時間的變化曲線。由圖可知，竣工時的固結度隨施工間歇時間的增大而增大。竣工時和沉降穩(wěn)定后路堤的最大沉降量隨施工間歇時間的變化規(guī)律相反。竣工時，最大沉降量隨施工間歇時間的增大而增大。這是由于施工間歇時間越長，施工期填土的固結越充分，因而最大沉降量越大。沉降穩(wěn)定時，最大沉降量隨施工間歇時間的增大而減小。這是由于施工間歇時間越長，施工期固結程度越高，填土變硬，則填土的最終變形量就越小。

圖4 路堤的最大沉降量及固結度隨施工間歇時間的變化曲線

3.2 壓實度隨施工間歇時間的變化規(guī)律

計算分析可知，竣工時和沉降穩(wěn)定時壓實度增量隨著填土高度變化而變化的規(guī)律不同。

竣工時，不同高度處的壓實度隨施工間歇時間變化而變化的規(guī)律相似，都是隨著施工間歇時間的增大，壓實度增量逐漸增大。這是因為每層填筑后停歇時間越長，孔隙水壓力就有更長的消散時間，因此固結沉降量更大，壓實度提高更多。相同施工間歇時間，位于不同高度處填土的壓實度度增量隨高度的增大而減小。即最底層 （第1 m）的壓實度增量最大，最高一層（第8 m）的壓實度增量最小。這主要是由于上層土的自重對下層土的壓實作用。圖5為高8 m的路堤各層填土的壓實度隨施工間歇時間的變化曲線（竣工時）。

當沉降穩(wěn)定時，不同高度處路堤的壓實度隨施工間隔時間變化的規(guī)律相似。壓實度增量都隨著施工間隔時間的增大而減小。這是因為施工間隔時間越長，施工過程中填筑層以下的土層的固結程度越高，相當于產生了預壓作用，因此各土層的壓實度增量都越小。當施工間隔時間相同且＜10 d時，壓實度增量隨著層高的增大而增大，即路堤頂層的壓實度增量大于路堤底層。這主要是由于施工速度較快時，孔隙水壓力來不及消散，致使路堤下部的土層無法有效固結，因而其壓實度增量較小。當施工間隔時間相同且＞10d時，壓實度增量隨著層高的增大而減小，即路堤頂層的壓實度增量小于路堤底層。這是由于施工速度較慢時，孔隙水壓力能夠逐漸消散，上覆土層自重對下部土層產生了有效的壓縮作用，因而下部土層壓實度增量較大。圖6為高8m的路堤各層填土的壓實度隨施工間歇時間的變化曲線（沉降穩(wěn)定時）。

圖5 路堤各層填土的壓實度隨施工間歇時間的變化曲線（竣工時）

圖6 路堤各層填土的壓實度隨施工間歇時間的變化曲線（沉降穩(wěn)定時）

圖7為整個路堤壓實度增量平均值隨施工間歇時間的變化曲線。由圖可知，竣工時和沉降穩(wěn)定后壓實度增量平均值隨施工間歇時間的變化規(guī)律相反。竣工時，壓實度增量隨施工間歇時間的增大而逐漸增大，說明施工間歇時間越長，施工期填筑土體能有更長的固結時間，因此固結壓縮量更大，壓實度增量也就越大。相反，沉降穩(wěn)定后，壓實度增量隨施工間歇時間的增大而逐漸減小，說明這也是由于施工間歇時間越長，施工期的固結程度越大，土體越硬，因此最終的壓縮量隨施工間歇時間的增大而減小，故壓實度增量也減小。

圖7 壓實度增量平均值隨施工間歇時間的變化曲線

4 結論

（1）對于不同施工間隔時間的路堤，竣工時，路堤的沉降量隨著施工間隔時間的增大而增大；沉降穩(wěn)定時，沉降量隨著施工間隔時間的增大而減小。

（2）對于不同施工間隔時間的路堤，竣工時，壓實度增量都隨施工間隔時間的增大而增大；沉降穩(wěn)定時，壓實度增量都隨施工間隔時間的增大而減小。

（3）對于不同施工間隔時間的路堤，竣工時，路堤的壓實度增量都隨層高的增大而減小；沉降穩(wěn)定時，施工間歇時間＜10d時，由于施工速度較快時，孔隙水壓力來不及消散，致使路堤下部的土層無法有效固結，路堤的壓實度隨層高的增大而增大；施工間歇時間＞10d時，由于施工速度較慢時，孔隙水壓力能夠逐漸消散，上覆土層自重對下部土層產生了有效的壓縮作用，路堤的壓實度隨層高的增大而減小。