路堤分層填筑對紅黏土地基位移影響分析

劉建海

（云南省鐵路集團有限公司，云南 昆明 650118）

0 引言

公路建設中地基條件對于路堤填筑有重要影響，對于一般性質的巖土地基，路堤可以直接進行填筑；而對于特殊性質巖土類型的地基，路堤填筑之前需要對地基進行工程加固處理。其中紅黏土地基是特殊巖土地基的一種，紅黏土在我國西南地區分布較為廣泛，主要集中分布于云南、廣西及貴州三省[1]。目前國內學者對于紅黏土在公路建設中的影響進行了許多研究：秦陽[2]以貴州某高速公路紅黏土填筑路基為研究對象，利用有限元軟件研究了不同填筑速率對紅黏土路基土體含水率及路堤邊坡穩定性的影響；楊華中[3]對紅黏土路基填土不同的改良方法進行了論述；易劍波[4]通過對壓實機械、壓實遍數控制，以及通過采用級配碎石改良紅黏土路基的方法提高了紅黏土路基填筑的工程質量；曾帥[5]等通過研究提出一種新型改良劑對紅黏土路基在干濕循環過程中的路用性能有重要提升作用；王有昌等[6]研究了降雨條件下半填半挖紅黏土路基土體的含水率及孔隙水壓力變化；肖慶一等[7]分析了利用石灰改良紅黏土路基路用性能的重要作用；宋遠明[8]通過研究水分遷移對紅黏土路基的危害提出了一種可防治紅黏土路基軟化的措施。

紅黏土在我國西南地區分布廣泛，且在公路建設中路基填筑往往占比較大，通過上述分析目前對于紅黏土的研究主要在于對填土本身的工程性質研究，而對于紅黏土地基條件下路基填筑的沉降變形分析研究較少，因此本文著重分析在紅黏土地基條件下路堤填筑沉降及變形分析。

1 工程概況及模型構建

研究工程為云南某在建公路填方段，通過地勘資料分析，該段地基為深厚紅黏土層，路基填料采用碎石土填筑。模型構建主要依據設計提供的斷面圖紙以及地勘提供的地層資料，利用犀牛軟件進行立體網格構建并導入專業巖土有限差分軟件FLAC 3D 中，構建好的模型如圖1 所示。模型地基為紅黏土層，路堤填土分為三層，從下往上分別為：第一層填土、第二層填土以及第三層填土，第一層填土路堤外側為擋土墻。整個模型由55610 個單元及10962 個節點組成，紅黏土地基層網格大小設置為越靠近填土網格越小，有利于分析填土對地基影響的精度。

圖1 路堤模型

2 路堤填筑模擬

要較為準確地模擬巖土變形等工程問題，數值模擬中選取合適的巖土本構模型至關重要。本次模型采用塑性模型組中的莫爾-庫侖模型（Mohr-Cou1omb Mode1）計算分析，屬理想彈塑性模型，而支護結構物漿砌片石擋土墻采用彈性本構模型。本次模擬計算盡量還原路基真實的邊界約束情況，最小程度減少人為邊界因素引起的計算誤差，避免計算結果失真，因此采用位移邊界約束條件。對模型的四個側向邊界固定其法向約束，路堤及擋墻臨空面設置為自由邊界；紅黏土底面邊界固定了X、Y、Z 三個方向的約束，不允許產生位移。模擬計算中忽略路堤的路基地層在過去的地質歷史中經歷的各種動力運動產生的構造應力，只考慮地基及路基填土自重應力場作用下的位移和應力響應行為。

按照施工順序，模擬采用先施工擋墻、第一層填土填筑、第二層填土填筑、第三層填土填筑的順序進行模擬加載，對路基填筑進行模擬計算，并對路堤填土層及紅黏土地基層的位移應力進行檢測，其中各土層以及漿砌擋墻的物理力學參數取值，如表1 所示。

表1 巖土層及結構物參數表

模擬計算中在黏土層設置3 個監測位置點，分別監測在不同填筑施工階段中路堤填土對地基的影響，監測位置如圖2 所示。在填筑中采用2 種不同的填筑方式。方式一：路堤每層填筑后，不進行位移及速度清零隨即進行下一層填筑，直至路堤填筑達到設計標高。該方式主要模擬實際施工過程中填筑速度較快的填筑方式。方式二：路堤每層填筑后，對上一層土體產生的位移及速度清除后再進行下一層填筑，最終達到路堤填筑設計標高，該方式主要模擬實際施工過程中，填筑速度較慢的填筑方式。

圖2 監測點位置

3 沉降變形分析

通過模擬計算可得：在2 種不同的填筑方式下，黏土層設置的3個監測點得到的位移值顯著不同，如圖3 所示。從圖中分析可以得出：

（1）3 個監測點中位置越低，土體位移值越大。如填筑方式一中位移最大值為1#監測點；填筑方式二中同樣位移值最大的點為1#監測點；這主要是由于1#監測點上路基填土高度最大，因此位移值也最大。

（2）在兩種不同的填筑方式中，填筑方式一產生的對紅黏土地基位移總是大于填筑方式二對紅黏土地基土體的位移；這主要是由于填筑方式1 每層填筑的間隔時間較短，土體在自重作用下的沉積沒有作用完全，因此導致黏土地基土體產生的位移是各土層自重力之和產生的作用力之和，而填筑方式2 每層填筑的時間間隔較長，各層土體在填筑后自重作用下的沉積已經作用完全，因此最終黏土地基土體的位移值要小。

圖3 不同填筑方式的位移

4 結束語

通過對紅黏土地基條件下路堤分層填筑的模擬分析可以得出，路基填筑高度越大對地基土體造成的位移影響越大；路堤分層填筑時，分層填筑的間隔時間對地基土體的位移有重要影響，分層填筑的間隔越長路堤最終填筑完成時紅黏土地基產生的位移量越小。