考慮分層填筑的高路堤沉降變形特性分析

劉美芳，蔣 鑫，陳曉麗，邱延峻

考慮分層填筑的高路堤沉降變形特性分析

劉美芳，蔣 鑫，陳曉麗，邱延峻

（1. 西南交通大學，土木工程學院，成都 610031；2. 西南交通大學，道路工程四川省重點實驗室，成都 610031；3. 西南交通大學，高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，成都 610031）

為研究高路堤動態填筑全過程沉降變形特性, 基于非線性有限元數值模擬, 對比分析高路堤與一般路堤分層動態填筑過程中地基面沉降、路堤面沉降和坡腳處地基剖面側向位移的分布演變規律, 討論填料輕質化、壓實度提高對沉降變形的影響。研究發現: 高路堤分層填筑全過程中堤身荷載不容忽視, 采用輕質填料可極大減小高路堤的壓縮變形和地基沉降; 隨著壓實度的提高, 如路堤填土彈性模量增加2倍, 高路堤路基面沉降則減小16. 9%, 而地基面沉降和坡腳處地基剖面側向位移影響甚微。

高路堤；動態施工；數值模擬；沉降變形特性；輕質填料；壓實度

0 引 言

隨著山區高速公路建設的快速挺進，將不可避免地修建大量的高路堤工程。高路堤常被稱為高填方路堤、高邊坡路堤等。《公路路基設計規范》[1]中規定邊坡高度超過20m的路堤為高路堤，因土質、地基等情況各異，目前高路堤尚未形成一個嚴格統一的判別標準。從宏觀上看，受地形地貌、填料性質、水文地質、施工壓實和行車荷載等因素的影響，高路堤常出現因整體下沉或者局部下沉、不均勻沉降而誘發的縱橫向開裂、路基滑動或者坍塌等病害，直接危害到行車舒適性和安全性。

高路堤的沉降行為得到眾多研究者的高度關注。吳福寶[2]依托廈沙高速公路某高填方路堤，使用分層沉降儀監測路堤工后240天的沉降量，結合有限元分析得出高路堤工后沉降量。Jia Liang[3]為研究高填方路基在重力應力和車輛荷載作用下的施工后沉降，對蘭州至永京高速公路進行了現場監測，分析了沉降隨時間和空間的演化規律。王金明[4]開展了高填方路基填料類型對不同時期沉降規律影響的對比分析。魏道凱[5]依托武漢天河機場第二通道高速公路實測數據，基于FLAC3D建立高填方路基沉降模型，利用雙曲線法等不同的曲線擬合方法，得到路堤的沉降曲線擬合模型。

此外，LUO Junhui[6]將模糊神經網絡方法與神經網絡模型相結合，根據河白高速公路路基的實測數據，建立了路基沉降計算模型。景宏君[7]采用經修正了的非勻速填土和非等步長沉降觀測時間的GM（1，1）灰色理論預測模型進行高路堤工后最終沉降量預測。景宏君[8]采用現場試驗和理論分析相結合的方法對高填方路基沉降進行了分析，灰色模型理論預測路堤的不同階段和最終沉降，根據沉降試驗實測數據，對預測結果進行對比分析。張衛兵[9]在分層總和法的基礎上考慮土的側向變形，引入壓縮模量隨填土應力變化的修正，提出了側向變形影響的修正系數表達式，得出高路堤自身最終沉降量簡化計算模型。甘鵬山[10]結合資溪花山界至里木高速公路高填方工程，采用有限元方法模擬并結合現場實測數據的分析，研究了高填方路堤在填筑全過程中的變形應力特征及其變化規律。

以上研究積極地促進了高路堤沉降特性的深入理解，但因現場試驗、模型試驗等手段存在成本高、周期長等缺陷，在較長時期內有限元等數值模擬方法仍是分析高路堤沉降變形特性的有力武器。注意到路堤堤身高不可能一次性填筑完畢，同時土體的材料非線性特征突出，必須在有限元分析中高度重視路堤的分層分步填筑，即考慮動態施工力學行為，計入施工過程中結構要素（含形體、尺寸和材料）和外來作用因素（含荷載、溫度和約束條件）的變化對完建狀態的結構內部響應（含位移、應變和應力等）的影響[11]。文獻[11]將此類問題歸納為變結構非線性問題，并強調“對于考察體完建狀態的模擬必須采用動態建模的仿真手段”。為此，本文嘗試運用享有國際聲譽的巖土工程專業有限元軟件PLAXIS，充分考慮路堤的分層填筑，探討在堤身荷載作用下地基的沉降變形特性，進而分析路堤填料輕質化、路堤壓實質量提高等的科學性，以期為工程提供理論依據。

1 數值模型的建立

假定高速公路為雙向四車道整體式路基，路基面寬度為26m，路堤高度=22m，遵照公路路基設計規范（JTG D30—2015），取路堤邊坡坡比由上至下依次為1：1.5（上部8m）、1：1.75（中部12m）、1：2（下部2m）。考慮到該問題具有典型的對稱性，為減小計算規模、節省機時，取右半結構予以分析，同時視為平面應變問題[12]。經過試算，數值模型中地基寬度為120m，深度為80m，以盡量避免、削減邊界條件的影響。地下水位線處于模型底部，模型示意見圖1所示。

圖1 高路堤有限元模型示意圖（單位：m）

選用理想彈塑性本構模型，路堤填土和地基土的應力-應變關系均服從Mohr-Coulomb準則，材料類型選擇不排水，參考文獻[13]，選取相應的材料參數如表1所列。

表1 路堤填土和地基土的材料參數

Tab.1 Material parameters of the embankment filling and foundation soil

采用15節點高精度三角形單元、自動剖網方式離散模型。模型的底側視為水平向、垂直向雙向位移約束，左右兩側水平向約束、垂直向自由，以模擬在堤身自重荷載作用下的壓密沉降。同時為更好地體現高路堤沉降變形的特殊性、復雜性，另取高度=6m的一般填方路堤，依據文獻[14]知坡度變化對沉降的影響微乎其微，同時貼合工程實際，取邊坡坡比為1：1.5，在其他條件不變的前提下進行高路堤與一般填方路堤的橫向對比。

實際工程中，路堤的填筑具有典型的分層逐級加載特征，且土體材料非線性行為不容忽視，顯然在數值模型中必須充分、正確地考慮路堤填筑這一動態施工力學行為，對于高路堤更是如此。另一方面，早期曾將路堤分層填筑簡化為荷載的逐級施加，這無疑未能妥善處理路堤填土荷載的柔性，與實際情況出入較大[15]。本文首先凍結路堤填土，采用0過程的方式，將地基自重應力視為初始應力，然后通過軟件內嵌的分步建造（Staged construction）功能，逐步激活路堤填土各層，模擬路堤填筑施工過程，高路堤、一般填方路堤均按1m/層予以填筑。

2 主要計算分析結果及討論

2.1 地基面沉降

圖2（a）給出了高路堤（= 22m）地基面沉降隨逐級加載而變化的全過程分布。可知，隨著路堤土的分層逐級填筑，地基面沉降逐漸增大，但增加的趨勢有所變緩。路堤中心線處地基面沉降最大，越遠離中心線則越小；在路堤荷載范圍以內沉降變化較大，坡腳以外的沉降變化則趨于相對平緩。圖2（b）則給出了一般填方路堤（= 6m）全過程加載與高路堤前6級加載地基面沉降分布的對比，相較于一般填方路堤的各級加載，高路堤每一級填筑地基面都將產生更大的沉降量，且增量的變化亦呈逐漸增大的趨勢，6級加載后兩者沉降差值達到1.52倍。高路堤全部填筑完畢后最大沉降值達到758.35mm，是一般填方路堤的4.36倍。圖2（c）表明坡腳點的沉降隨逐層填筑而逐漸增大，高路堤趨勢明顯大于一般填方路堤，且增大趨勢隨著填高的增加而逐漸增大。填筑到6m時，高路堤是一般填方路堤的1.14倍，全部填筑完畢后則達到2.57倍。相對于一般填方路堤，高路堤將使地基產生更大的壓縮變形量。

2.2 填筑層頂面沉降

圖3（a）給出了高路堤分層逐級填筑過程中每填筑層頂面的沉降分布曲線。隨著路堤的填筑，各填筑層頂面的沉降分布曲線較為平緩，沉降逐層增加，但增加的趨勢略微減弱。圖3（b）為一般填方路堤全過程加載與高路堤前6級加載各填筑層頂面沉降分布的對比，相較于一般填方路堤的各級加載，高路堤每一級填筑后都會產生更大的沉降量，且其增量亦呈逐漸增大的趨勢。填筑到6m時，高路堤是一般填方路堤的1.50倍，全部填筑完畢后則達到4.98倍。相對于一般填方路堤，高路堤自身會產生更大的壓縮變形量，且隨著填筑高度的增加而增加。

圖3 各填筑層頂面的沉降分布

2.3 坡腳處地基的側向位移

圖4給出了高路堤和一般填方路堤填筑全過程中坡腳處地基剖面（即圖中的1-1剖面）側向位移沿深度的分布。可見，隨著路堤的逐級填筑，坡腳處地基剖面的側向位移逐漸增大，呈現向右的“凸狀”，增大的趨勢有所減小。側向位移沿地基深度的分布表現為先負后正。圖4（b）還進一步給出了一般填方路堤全過程加載與高路堤前6級加載坡腳處地基剖面側向位移沿深度的分布，高路堤坡腳點的側向位移正向值、負向值分別為一般填方路堤的2.04倍、1.79倍；填筑完畢后正向值、負向值分別達到一般填方路堤的5.82倍、3.08倍。圖4（c）則表明坡腳點的水平位移呈逐漸增大的趨勢，路堤由1m至6m的填筑過程中，高路堤坡腳點的水平位移明顯大于一般填方路堤，且增大的趨勢亦隨著填高的增加而逐漸增大。填筑至6m時，高路堤坡腳點的側向位移是一般填方路堤的1.79倍，完全填筑完畢后則達到3.08倍。

3 填料輕質化、壓實度提高對高路堤沉降特性的影響

3.1 填料輕質化對高路堤沉降變形的影響

前文分析已經表明，高路堤因填筑土方量大，將引起較大的沉降變形。《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）指出輕質材料可以作為減少路堤重度或者土壓力的路堤填料，主要包括土工泡沫塑料、泡沫輕質土、粉煤灰等。不妨在數值模型中通過調整路堤填料的重度，將γ初始值19kN/m3，與4kN/m3、9kN/m3和14kN/m3等3種工況進行對比，分別獲得地基面和路堤面的沉降分布、坡腳處地基剖面的側向位移分布（見圖5），從而量化填料輕質化對高路堤沉降變形的影響。

由圖5可知，隨著填料重度的逐漸減小，地基面和路堤面的沉降、坡腳處地基剖面的側向位移均明顯減小，填料重度由19kN/m3降至4kN/m3，降低了78.9%，高路堤地基面沉降、路堤面沉降最大值、坡腳處地基剖面側向位移正向值和負向值（絕對值）均降低78.9%，這意味著路堤自身的變形已大幅變小，對地基產生的附加應力、變形也很大程度被削弱。在工程實踐中可綜合考慮經濟效益、施工可行性和環境保護等因素，合理選用輕質填料，減小因路堤高度偏高而帶來過大沉降變形的負面影響，使得整個路堤結構處于良好的工作狀態。

3.2 壓實度提高對高路堤沉降變形的影響

壓實度是路堤施工質量控制的關鍵指標之一，顯然壓實度越高，密實程度越大，可通過調整路堤土彈性模量的方式間接地模擬壓實度的變化。為分析壓實度提高對高路堤沉降變形的影響，通過調整路堤土彈性模量，將其初始值15MPa與25MPa、35MPa和45MPa等3種工況對比分析，分別獲得路堤面和地基面的沉降分布、坡腳處地基剖面的側向位移分布（見圖6）。

圖6表明，隨著壓實度的提高，路堤面的沉降逐漸減小，且減小趨勢明顯變緩，路堤土彈性模量增加2倍，高路堤路基面沉降減小16.9%，但地基面沉降和坡腳處地基剖面側向位移減小幅度甚小。在工程實際中，不宜片面地僅依賴提高壓實度的方法來減小高路堤沉降變形，需在充分考慮施工機械、經濟成本等各方面因素的基礎上制定壓實度的合理標準。

4 結論與建議

（1）高路堤分層填筑全過程中堤身荷載不容忽視，相較于一般填方路堤的各級加載，高路堤每一級填筑后都會產生更大的變形。同等條件下加載到路堤高度6m，地基面沉降量高路堤是一般填方路堤的1.52倍，路堤沉降量是1.50倍，坡腳處地基剖面側向位移正向、負向分別為2.04倍、1.79倍。高路堤完全填筑后地基面沉降量是一般填方路堤的4.36倍，路堤沉降量是4.98倍，坡腳處地基剖面側向位移正向、負向分別為5.82倍、3.08倍。

（2）采用輕質填料，填料重度由19kN/m3降至4kN/m3，降低了78.9%，高路堤地基面沉降、路堤面沉降最大值、坡腳處地基剖面側向位移正向值及負向值（絕對值）均降低78.9%，輕質填料可顯著地降低路堤本體的壓縮變形和地基沉降，工程實踐中應合理設計，充分考慮輕質填料的應用。

（3）隨著壓實度的提高，如路堤土彈性模量增加2倍，高路堤路基面沉降則減小16.9%，而地基面沉降和坡腳處地基剖面側向位移減小幅度甚小。在工程實際中，不宜片面地僅依賴提高壓實度的方法來減小高路堤沉降變形，需在充分考慮施工機械、經濟成本等各方面因素的基礎上制定壓實度的合理標準。

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Analysis of Settlement Deformation Characteristics of Layered Buried High Embankment

LIU Mei-fang，JIANG Xin，CHEN Xiao-li，QIU Yan-jun

（1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. Highway Engineering Key Laboratory of Sichuan Province, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 3. MOE Key Laboratory of High-speed Railway Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China）

To study the settlement deformation characteristics of high embankments during the dynamic filling process, nonlinear finite element numerical simulation was used to compare and analyze the foundation settlement, embankment settlement, and lateral displacement of the foundation section at the foot of the slope. The influence of lightweight filler material and increasing compaction on settlement deformation was also studied. The study found that high embankment body load cannot be ignored in the entire process of layered embankment filling. Compression deformation and foundation settlement of the embankment body can be significantly reduced and the application of lightweight packing should be taken into consideration. As the degree of compaction increased, the elastic modulus of the embankment soil increased by a factor of 2 and the settlement of high embankment subgrade decreased by 16. 9 %, whereas the settlement of the foundation surface and lateral displacement of the foundation section at the foot of the slope were not significantly affected.

high embankment; dynamic construction; numerical simulation; settlement deformation characteristics; lightweight filler; compaction degree

U416.1

A

10.3969/j.issn.1672-4747.2020.01.008

1672-4747（2020）01-0061-08

2019-04-04

四川省科技計劃資助項目（2019YFS0492）；國家自然科學基金資助項目（51378440）

劉美芳（1985—），女，西南交通大學土木工程學院博士研究生，研究方向：道路工程路基路面方向，E-mail：meifang621 @163.com

蔣鑫（1976—），男，教授，博士，從事道路路基路面工程教學科研，E-mail：xjiang@163.com

劉美芳，蔣鑫，陳曉麗，等. 考慮分層填筑的高路堤沉降變形特性分析[J]. 交通運輸工程與信息學報，2020，18（1）：61-67, 76.

（責任編輯：劉娉婷）