高液限黏土改擴建路基安全性能數值模擬分析*

李友云， 李懿， 張軍， 廖浩成， 黃博

(1.長沙理工大學 交通運輸工程學院， 湖南 長沙 410114；2.湖南省蓮株高速公路建設開發有限公司， 湖南 株洲 412000)

高液限黏土在中國分布廣泛，富含高液限黏土的省、市達20多個，隨著高速公路的迅猛發展，對高液限黏土填筑性能的研究變得十分重要。對于高液限黏土路基填筑問題，學者們主要通過室內外試驗分析其變化規律。何穎通過實地取樣試驗，得出壓實度及CBR(承載比)值是評價高液限黏土路基施工質量的重要指標，并根據現場實際沉降模擬推測將來路基沉降情況，預測其沉降變化規律。段凱提出了高液限黏土路基穩定性的多種分析法及沉降計算方法。曹為通過有限元軟件追蹤測試高液限土的翻曬過程，模擬了海南氣候條件下高液限土含水率隨時間的變化。羅婉分析了高液限紅黏土濕化對其強度的影響及剪切變形規律，結合雙曲線模型推出了濕化變形公式。近年來，高液限黏土的改良利用及填筑控制標準被運用于工程中。戴良軍對不同摻砂量高液限填料進行試驗，得出其合理施工含水率介于天然含水率與最佳含水率之間。王成斌提出利用高液限黏土作為路基填料的前提是對其進行改性處理，其中最經濟有效的方法是摻石灰。此外，一些學者還提出了多種高液限黏土的理化改良方法，其中物理方法有摻砂性土、換填土、包芯及土工合成材料處治，化學方法有摻粉煤灰、生石灰及水泥。國外一些專家提出CBR值和填筑壓實度是高速公路填筑質量控制標準，CBR值越大，基層材料承載能力越大；壓實度越大，土體間越密實。

目前對高液限黏土的研究往往只關注其本身的路用性能及用作一般路基填料的方法，少有對高液限黏土用于路基改擴建工程的研究。該文分別建立一般地基和軟土地基上改擴建模型，對不同地基上改擴建路基進行模擬，分析其沉降狀態及安全系數，研究高液限黏土路基改擴建工程的沉降變化規律，為其安全穩定性控制提供依據。

1 改擴建路基模型建立

1.1 一般地基上路基改擴建模型

路基拓寬采用雙側拓寬，兩側各拓寬7.5 m，由原來的四車道改成六車道，路基高度為4 m。地基分2層，第一層為地下10 m深的粉質黏土層，第二層為地下25 m深的黏土層。新路基分3層，第一層93區為2.5 m高液限黏土，第二層94區為0.7 m高液限黏土，第三層96區為0.8 m低液限黏土(見圖1)。

圖1 一般地基上路基改擴建模型(單位：m)

1.2 軟土地基上路基改擴建模型

路基拓寬采用雙側拓寬，兩側各拓寬7.5 m，由原來的四車道改成六車道，路基高度為9 m。地基分2層，第一層為地下11.5 m深的軟弱土，第二層為地下8 m深的粉質黏土。新路基分3層，93區、94區為低液限黏土，96區為高液限黏土+40%碎石。軟土地基上設置圓管涵，圓管涵外徑1.5 m，壁厚0.1 m，涵頂填土高度8 m。軟土經過樁處理，樁體直徑0.5 m，長度11.5 m，間距1.0 m(見圖2)。

圖2 軟土地基上路基改擴建模型(單位：m)

2 高液限黏土土工試驗參數獲取

2.1 液塑限試驗

對高液限黏土進行兩次液塑限平行試驗，取算術平均值作為試驗結果。計算得液限為53.9%，塑限為24.5%，塑性指數為29.4。

2.2 擊實試驗

在室內對高液限黏土進行擊實試驗，試驗結果見表1，擊實曲線見圖3。得土樣的最佳含水率為19.4%，最大干密度為1.74 g/cm。

表1 高液限黏土試件擊實試驗結果

圖3 高液限黏土擊實曲線

3 路基改擴建數值模擬分析

3.1 路基分層填筑沉降對比分析

在高液限黏土地基上進行改擴建路基填筑時，每層填土會對地基產生壓力，地基土體會產生排水固結，孔隙水壓力減小，從而使地基抗剪強度得到提高。為防止地基在填筑過程中發生破壞，將填土進行分層分期填筑，待地基固結穩定達到一定程度后再施加下一級荷載，直到填筑到設計高度。

為描述地基在填筑過程中的沉降變化，通過GeoStudio軟件對改擴建實際情況進行模擬。路基填高為4 m，每層填土高度為40 cm，填土完成歷時50 d，然后預壓30 d。兩種地基沉降曲線見圖4、圖5，每層填土后地基沉降見表2、表3。

圖4 填土完成后一般地基沉降曲線

圖5 填土完成后軟土地基沉降曲線

表2 一般地基每層填土后地基沉降

表3 軟土地基每層填土后地基沉降

由圖4、圖5和表2、表3可知：每層40 cm填土填完后，從老路堤中心到新路堤形心處(0～21 m)地基沉降越來越大，形心處沉降最大。在填筑過程中，新路基會對老路堤邊坡產生附加荷載一起作用在地基上，導致老路基以下地基到形心處沉降逐漸增大。老路基區域以下地基土已固結穩定，沉降很小。而新路基以下地基還是新地基土，沒有固結沉降，在路基土不斷填筑過程中，新路形心處受壓最大，其沉降也最大。從新路形心處到新路堤坡腳處(21～27 m)沉降慢慢減小，直到新路堤坡腳沉降為零。一般地基的平均沉降為4.1 cm/層，軟土地基的平均沉降為5.2 cm/層。

3.2 不同路基高度下沉降及安全系數分析

分別取路基高度4、6、8 m，采用GeoStudio軟件進行模擬，一般地基和軟土地基上高液限黏土改擴建路基施工沉降曲線分別見圖6、圖7，填筑完成時安全系數分別見圖8、圖9。

由圖6、圖7可知：路堤高度為4 m時，一般地基的最大沉降為41 cm，沉降速率為0.82 cm/d；軟土地基的最大沉降為52 cm，沉降速率為1.04 cm/d。路堤高度6 m時，一般地基的最大沉降為45 cm，沉降速率為0.9 cm/d；軟土地基的最大沉降為54 cm，沉降速率為1.08 cm/d。路堤填土填到8 m時，一般地基的最大沉降為47 cm，沉降速率為0.94 cm/d；軟土地基的最大沉降為56 cm，沉降速率為1.12 cm/d。

圖6 一般地基上路基改擴建施工沉降曲線

圖7 軟土地基上路基改擴建施工沉降曲線

圖8 一般地基上路基填筑完成時安全系數

圖9 軟土地基上路基填筑完成時安全系數

由圖8、圖9可知：填高為4 m時，一般地基的安全系數為2.519，軟土地基的安全系數為2.466；填高為6 m時，一般地基的安全系數為1.810，軟土地基的安全系數為1.761；填高為8 m時，一般地基的安全系數為1.592，軟土地基的安全系數為1.573。軟土地基上路基邊坡的安全系數比一般地基的低。根據《邊坡處理設計規范》，安全系數越高，邊坡的穩定性越好。

對路基填土高度分別為4、6、8 m的模型進行分析比較(見表4)，軟土地基最大沉降比一般地基大8 cm左右。一般地基最大沉降的位置隨填土高度增加，從距離路中心22 m→23 m→25 m；軟土地基最大沉降的位置隨填土高度增加，從距離路中心21 m→24 m→27 m。說明地基最大沉降始終發生在新路堤形心以下位置。

表4 不同填土高度路基填筑數值模擬結果對比

地表沉降表明，路堤高度增加，軟土地基地表老路中心隆起高度略有增加，但變化不大，且隆起范圍隨路堤高度增加向外側略有推移。對于新路堤，其下面軟基土體向外側的推擠使路堤填土向下移動進行填充，使新路堤表面出現不均勻沉降，且不均勻沉降隨路堤高度增加而增加。填土高度越高，兩種地基下路基的安全系數越小，且軟土地基上邊坡的安全系數比一般地基的小。雖然其安全系數大于1，是安全的，但還是要控制好路堤填土高度，必要時設置二級邊坡。

4 結論

通過兩種路基模型對比，結合液塑性試驗及室內擊實試驗，利用GeoStudio軟件對高液限黏土改擴建路基進行數值模擬，針對路基填筑施工期和施工完成兩種工況，從沉降和安全系數方面分析高液限黏土路基的強度及穩定性。主要結論如下：

(1) 在路基填筑施工期，兩種路基模型都是從老路堤中心到新路堤形心處沉降越來越大，到形心處沉降最大，再從形心處到新路堤坡腳處沉降慢慢減小，直到新路堤坡腳沉降為零。高液限黏土路基的平均沉降比一般路基的大。

(2) 路基填筑施工完成后，路堤高度增加，軟土地基地表老路中心隆起高度略有增加，但變化不大，且隆起范圍隨路堤高度增加向外側略有推移。對于新路堤，其下面軟基土體向外側的推擠使路堤填土向下移動進行填充，使新路堤表面出現不均勻沉降，且不均勻沉降隨路堤高度增加而增加。

(3) 填土高度越高，路基施工完成后安全系數越小，且高液限黏土路基上邊坡的安全系數比一般路基的小。施工中需控制路堤填土高度，必要時設置二級邊坡。