軟巖填筑路基在外部因素影響下沉降變形作用機理分析

馬 耀 先

(四川盛唐建設工程有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

云貴高原山區地質條件復雜，區域內泥質粉砂巖夾泥巖分布廣泛，這些泥質粉砂巖屬于軟質巖塊[1-2]。在云貴高原修建公路[3]，因當地屬高山峽谷地形，不可避免會遇到逢山挖隧洞、遇谷筑路堤的情況，且挖、填方量巨大，若將工程削坡、棄渣產生的泥質粉砂巖用作路基填料，可大量減少資源的浪費和建設成本，并保護當地的生態壞境。通過文獻調研發現[4-8]，在不同填筑高度和不同上部荷載作用下，路堤變形沉降存在一定的規律[9-10]。因此，相關人員開展了云貴高原山區軟巖填筑路基施工關鍵技術研究并取得成功，對環境保護和降低投資成本具有重要意義。

1 有限元模型建立

1.1 模型尺寸

本項目位于貴州省西南部，途徑烏蒙山脈東南側邊緣山區。沿線地層較為復雜，巖性組合多樣，為了方便模型的建立與統一，取項目軟巖填筑路基工程處理設計圖為基本模型。

依據現場實測數據確定模型基本參數，構建簡化的原尺寸模型。路基模型分三種，其寬、高分別是24.5 m、16 m，24.5 m、20 m和24.5 m、24 m。分三級進行放坡，其中坡率分別是1∶1.5和1∶1.75。分層填筑路基，路基深度為35 m，壓縮層有效寬度為40 m。

1.2 有限元模型參數

根據現場實測數據，由于路堤縱向沉降基本一致，將模型簡化為二維平面應變問題。由于Plaxis程序對土體固結滲流計算模塊的變形和穩定性分析有其獨到之處，使用其程序中的三角形單元進行建模。模型的兩側為不透水邊界，以水平速度為零控制水平位移，底部邊界條件為透水邊界，設置鉸鏈約束。采用摩爾-庫倫本構模型進行數值計算，路基橫斷面模型如圖1。

摩爾-庫倫強度準則為：

τ=σtanφ+c

式中τ為剪刀應力；σ為垂直；φ為內摩擦角；c為黏聚力。

根據地勘資料，路基由下到上是強與中風化泥質粉砂巖各15 m，粉質黏土5 m。路堤填料由下到上分別是灰石渣0.8 m、粉質黏土2 m，剩余部分全部填筑強、中風化泥質粉砂巖。模型水位取在地面以下5 m處，根據現場實驗以及現場施工情況，地基壓實度不小于90%，取壓實度90%時的填土力學參數進行模擬試驗(表1)。

表1 取壓實度90%時的填土力學參數進行模擬試驗表

2 沉降變形作用機理分析

本文針對軟巖填筑路堤以及在不同高度、不同上部荷載情況下進行了分析研究。

2.1 在不同施工進度情況下的沉降變形分析

2.1.1 沉降規律

在Plaxis中我們可以看到填筑每一步的過程和其沉降情況，計算所得路基沉降變形網格圖見圖2。

圖2 路基沉降變形網格圖

為了分析填土高度增加對地基表面沉降的影響，在路基表面處從中點開始設置了10個監測點，所得監測數據繪制沉降曲線如圖3。

圖3 監測數據繪制沉降曲線圖

在筑路完成后，路堤的沉降主要是由重力及其附屬作用引起的，可以大致分為兩部分，一是由重力本身引起的沉降壓縮變形，一是邊坡在重力作用下，向臨空面出現側向滑移引發的沉降變形[11-12]。

由圖2可知，路堤修建后，沉降值在路基表面中心大，向兩側減小，表面呈現凹形。坡腳向外側位移，而沉降后路堤表面寬度減少，整體呈收縮狀態。從豎向來看，沉降與深度成負相關，深度越小沉降越大，在路堤表面中心出現最大沉降。從橫向看，越往中部沉降越大。路肩處水平位移隨深度的增加，先增加到最大值后，逐漸減小，中間出現兩個零水平位移點，分別是路基表面附近和路基深部，填土表面水平位移出現負值和路堤底面側向擠出現象。

當填筑完成后，土體有往兩邊滑動的趨勢，并且在坡腳的位置有比較明顯的水平位移。主要沉降還是集中在路堤頂面中心處。

從圖3中我們可以更加清楚地看到，當填筑高度從3 m增加到16 m，路基中心沉降最大值與路基高度成正相關；增長速率隨填筑高度的增加，逐漸遞減；路基整體橫斷面沉降值也由均勻沉降向不均勻沉降過度。

相對剪應力比是當前土體最大剪應力與土體破壞的控制性最大剪應力的比值，相對剪應力比值越接近1，土體的安全儲存便越小，土體越容易出現破環。

通過對在不同路堤填土高度情況下相對剪應力比的結果分析發現，隨著路堤填土高度從3 m增加到16 m，相對剪應力比逐漸增加，土體安全儲存逐漸減小，且以路堤高度為11～14 m為分界區域，填土穩定性不斷減小，土體由安全逐漸向危險方向發展。當路堤填土高度達到14 m時，出現土體相對剪應力大量積聚達到極限值狀態，導致土體由彈性向塑性轉化；若繼續增加路堤高度，塑性區將會以這一范圍為中心擴散，使土體安全儲存降低。同時，我們發現在相同路基高度模型中，邊坡坡腳處相對剪應力比而言，其余部分較早達到極限值1，表明該處土體更易發生破壞。

2.1.2 作用機制

由上述分析可以看出，沉降主要集中在路堤頂面，是因為路堤頂部土體在重力作用下下沉，在中部往下擠壓，向路堤兩側臨空面產生擠出趨勢，由于土體抗拉強度很低，在底面出現水平向拉應力導致側向擠出位移增大，達到峰值后減小。并且隨著填土高度的增加，由于坡度的影響，填土集中在中部，引起的沉降也就在中部更大。水平位移也是因為沉降集中在路堤中部，上部的土體有往中間擠壓的趨勢，下部土體被擠向兩側。

2.2 在不同上部荷載作用下路基沉降變形

2.2.1 沉降規律

對基本模型施加不同荷載，進行90天的靜載試驗。分別施加每延米50 kN、100 kN、150 kN、200 kN、250 kN、300 kN的荷載，待其變形穩定后進行分析。

隨著施加的上部荷載從50 kN/m增加到300 kN/m，路基表面中心的最大沉降量也從76 mm迅速增大到150 mm。同時，坡腳向著臨空面移動，水平位移逐漸增大，側滑的趨勢愈加明顯。在外加荷載和自重的共同作用下，沉降主要發生在中上部，擠壓中部，在泊松效應下，向兩側進行擠壓，出現滑移。

在路堤中線處設置了10個監測點，用于監測中線處沉降值，根據所監測的不同荷載下路堤中線沉降見圖4。

圖4 不同荷載下路堤中線沉降圖

從圖4可以看出，外加荷載對路堤沉降數值有一定影響，但總的沉降變化規律基本不受影響，都是隨著深度的增大，沉降量逐漸降低，最后到路基表面接近零沉降。沉降變化速率也是中間大，兩頭小。

通過對不同荷載下相對剪應力進行對比發現，路堤中部和路基以下出現大量能量積聚區域，在這一范圍內的土體相對剪應力比更易達到極限值1，并且隨著荷載增大，這一范圍逐漸由路堤中心向四周擴散，在坡腳處達到相對剪應力比極限值的范圍也在擴大，并且向路堤中心靠攏。這種現象表明了整個路堤、路基隨著荷載增大，大部分土體達到其彈性變形能力極限狀態，進入彈塑性變形階段，容易發生土體破壞。

2.2.2 作用機制

本文是用均布荷載來模擬交通荷載，在高填方路基中，大部分沉降都是由自重應力作用而產生；最大沉降值與外加荷載成正相關。在外加荷載達到300 kN/m時，土體的承載力達到極限，最大沉降值突然大幅度增加。

在路基表層處沉降值的突變，則是由路基與路堤填料壓實度有所區別所引起的物理力學性質不同。路基經過處理后，土體的物理力學性質相對提高，從而在交接處出現沉降值不均勻的變化。

3 結 語

本文利用Plaxis程序，通過數值建模方法對軟巖填筑路基進行模擬，對在不同高度、不同荷載作用下的路基沉降變形進行分析，得出以下結論:

(1)分級施加上部荷載，路基沉降與上部荷載成正相關；隨著上部荷載的增加，相對剪應力比接近極限值1的土體范圍隨之增大，使越來越多的土體進入塑性階段，路基沉降幅度增大。因此，路堤填筑時上部荷載不宜過大，在不失去填料承載能力的情況下，增加上部荷載也能達到減小施工后沉降量的效果。

(2)在路基高度相同的模型中，坡腳處土體與其余部分相比，其相對剪應力比較早達到極限值1，表明該處土體更易發生破壞。

(3)隨著路堤高度增加，沉降量增大，因此，在施工期間減小每層填筑高度，分層施工高度越小越能保證壓實填筑效果，能夠有效減少工后沉降量。