不同含水率對路堤填土壓實特性的影響分析

■王祖鑫

(1.福建省交通科學技術研究所，福州 350004；2.福建省公路、水運工程重點實驗室，福州 350004)

1 引言

福建地處我國東南沿海，屬亞熱帶濕潤季風氣候，西北有山脈阻擋寒風，東南又有海風調節，溫暖濕潤為福建氣候的顯著特色，年平均降水量超過1500mm。我國東南沿海濕熱地區及西南潮濕地區的平原或山區丘陵地帶廣泛分布有高含水率土。由于土體的含水率超過最佳含水率甚多，這些土水穩定性差，極難涼曬至標準擊實試驗所得的最佳含水率，很難達到現行國家、行業施工規范要求的壓實度。傳統的處理方法一是棄方，二是添加或水泥、或石灰、或土壤外加劑等加以改進利用。兩種方法處理的費用都很大，且不利于環保，對生態破壞嚴重。所以直接采用過濕土作為路基填料，采用正確的填筑工藝和技術措施進行路基施工，這些都有待進一步的研究。

針對潮濕多雨地區填土特性，在試驗研究的基礎上，結合寧德京臺高速公路工程，采用有限元方法進行數值模擬分析。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律。以下針對潮濕多雨地區在不同含水率條件下路堤土壓實特性進行分析。

2 計算模型和參數

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律，進而研究壓實度在各種工況下的變化規律。

依據典型斷面地質勘測剖面圖，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。對地基底面施加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。

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

圖1 有限元計算模型

表1 路堤填土和地基土的計算參數

采用兩種方法來考慮長期降雨的影響，一種是考慮降雨改變填土的含水率，采用不同含水率的填土(初始壓實度為90%)來模擬不同降雨強度或時間對填土性質和壓實度的影響。采用不同含水率的填土進行分析時，考慮到若由于降雨而使填土的含水率改變，則很難實現連續施工，因此除連續施工填筑外，還考慮了填筑3d停歇5d的非連續施工情況。二是采用初始壓實度為93%的填土，每層填筑時均遇3d暴雨，之后停歇2d后繼續填筑下一層，研究長期降雨對路堤壓實度和穩定性的影響。

兩種情況都采用高8m的路堤進行計算，所建立的分析模型與圖3(b)相同。該地區年降水量為1650mm。5～6月為梅雨季，降水量在500～600mm之間，占全年總水量的31%～35%，為境內主汛期；7～9月為臺風雷雨季，出現暴雨和大暴雨，平均雨日35～42d，降水量360～680mm，占全年降總水量的22%～30%。在福建地區，通常取年最大24h平均雨深為100mm到150mm。考慮到連續降雨3d，計算時取平均降雨強度0.05m/d，每層填筑完成(3d)后的降雨期間(3d)在地基表面和填筑體表面都設置入滲邊界條件。其它邊界條件與前面的計算相同。

3.1 不同含水率填土路堤的變形規律

計算表明：在連續施工條件下，竣工時，不同含水率填土路堤沉降量最大值都出現在路堤軸線、距堤基約1/4至1/3堤高處。在連續施工條件下，沉降穩定時，不同含水率的路堤的堤身沉降量最大值都出現在路堤軸線、距堤基約1/2堤高處。填土路堤連續施工竣工時和沉降穩定后的沉降量(m)等值線圖如圖2。隨著含水率的增大，沉降穩定時路堤的沉降量增大。這是因為含水率越大，路堤填土越軟，因此最終的沉降量會越大。

計算表明，竣工時的固結度隨施工間歇時間的增大而增大。竣工時和沉降穩定后，不同含水率非連續施工的路堤堤身沉降量分布規律與連續施工時相同，但沉降穩定時的沉降量更小，填土路堤非連續施工竣工時和沉降穩定后的沉降量(m)等值線圖如圖3。原因是非連續施工時施工間歇時間增大，填土在施工期的固結程度增大，類似預壓效果，因此最終沉降最減小。

圖2 不同含水率施工間連續施工沉降量(m)等值線圖

圖3 施工間非連續施工沉降量(m)等值線圖

圖4 路堤的最大沉降量隨填土含水率的變化曲線

圖4為路堤的最大沉降量隨含水率的變化曲線。由圖可知，無論是連續施工和間歇施工，竣工時和沉降穩定后路堤的最大沉降量都隨含水率的增大而增大。說明若遇長期降雨致使填土含水率增大，則竣工和沉降穩定時填土的沉降量都將增大。不同含水率的路堤穩定時的最大沉降量均大于竣工時的沉降量。對比連續施工和間歇施工的結果可知，連續施工竣工時的最大沉降量較小，但沉降穩定后的最大沉降量較大。這是由于施工間歇時間越長，施工期填土的固結越充分，因而竣工時最大沉降量越大，沉降穩定時的沉降量越小。

3.2 考慮降雨入滲時填土路堤的變形規律

計算可知，隨著填土高度的增大，路堤的沉降量不斷增大。不同施工階段路堤的沉降量分布規律不同，當填土高度較低(＜4m)時，堤身沉降量出現兩個對稱的最大值，位于路堤的兩側。竣工和沉降穩定時，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，如圖5。隨著填土高度的增大，由于降雨入滲，路堤中的浸潤線逐漸升高，竣工時浸潤線位置最高，之后逐漸降低，沉降穩定時浸潤線基本恢復到初始地下水位處。

圖6為有、無降雨入滲情況下路堤的沉降量沿高度的分布曲線。竣工時和沉降穩定后路堤的沉降量沿高度的分布規律類似，都是先增大再減小。竣工時沉降量最大值出現在3m高處，沉降穩定時沉降量最大值出現在4m高處。與無降雨時的沉降量相比，除地基表面和竣工時路堤1m高以下，遇長期降雨情況下竣工時和沉降穩定時的沉降量都大于無降雨的情況。這是由于降雨入滲會對路堤填土施加向下的滲透力，增大路堤的沉降量。

圖5 降雨入滲情況下不同階段路堤的沉降量(m)等值線圖

圖6 路堤的沉降量沿高度的分布曲線

4 壓實度隨填土含水率的變化規律

圖7繪出了不同含水率路堤連續施工情況下壓實度隨層高的變化曲線。由圖可知，竣工時和沉降穩定時壓實度增量隨著層高變化而變化的規律不同。竣工時，壓實度增量都隨層高的增大而減小；除路堤最頂層的壓實度隨含水率的增大而略微減小外，其它高度處的壓實度增量都隨含水率的增大而增大，且位置越低增大得越明顯。這是因為含水率越大，填土越軟，沉降量越大，且底層受上部土層的壓實越明顯。

當沉降穩定時，壓實度增量都隨層高的增大而增大；不同高度處路堤的壓實度增量都隨填土含水率的增大而增大。這是因為含水率越高，土體越軟，因此路堤最終的沉降量越大，壓實度增量也就越大。

圖7 不同含水率路堤連續施工的壓實度隨層高的變化曲線

圖8為有、無降雨情況下路堤的壓實度增量沿路堤高度的分布曲線。由圖可知，竣工時和沉降穩定后路堤的壓實度增量沿高度的分布規律不同。竣工時壓實度增量隨路堤高度的增大而減小，沉降穩定時壓實度增量隨高度的增大先增大后減小出現在3m高處，沉降穩定時沉降量最大值出現在4m高處。與無降雨時的沉降量相。竣工時有、無降雨對壓實度的影響很小，在路堤上部遇降雨的情況的壓實度增量稍小，這是由于降雨入滲增大了孔隙水壓力，不利于填土的固結。沉降穩定時，遇降雨的情況的壓實度增量大于無降雨的情況。這是因為降雨入滲的滲透力給填土施加了附加的應力，增大了填土的固結應力，因而遇降雨時路堤最終的壓實度較大。

圖8 路堤的壓實度增量沿高度的分布曲線

5 結論

(1)對于不同含水率填土路堤，其沉降量在竣工時和沉降穩定時都隨填土含水率的增大而增大。竣工和沉降穩定時壓實度增量也都隨填土含水率的增大而增大。

(2)當遇長期降雨時，竣工和沉降穩定時路堤的沉降量都比無降雨時大；竣工時壓實度增量幾乎不受降雨入滲的影響，但長期降雨情況下路堤沉降穩定時壓實度增量比無降雨時大。