高速公路浸水路基沉降特性及力學(xué)響應(yīng)

李皓，張永圣，劉建樹

（1 山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，山東 濟南 250101；2 山東省公路橋梁建設(shè)集團有限公司，山東 濟南 250102）

我國高速公路建設(shè)發(fā)展迅速，截至2021 年年底，高速公路總里程達到16.90 萬公里，比2020 年增加8090 公里。我國降雨量東部多，西部少，雨量較多的地區(qū)公路常年處于濕潤或者浸水狀態(tài)[1]。浸水路基是指路基本體一側(cè)或兩側(cè)經(jīng)受長期或短期浸水的路基，浸水路基在水流侵蝕、軟化等作用下路基會變得濕潤，同時受浮腳水位上升、下降的影響，路基填料中細(xì)小顆粒流失，導(dǎo)致路基不穩(wěn)定性增加，邊緣崩潰，產(chǎn)生較大工程問題[2]。

目前，在高速公路建設(shè)中，路基會產(chǎn)生一定的沉降，浸水路基更容易產(chǎn)生差異沉降。國內(nèi)眾多學(xué)者對路基沉降機理和力學(xué)規(guī)律進行了研究，利用計算機軟件，通過建立非飽和土路基沉降預(yù)測模型預(yù)測不同飽和度地區(qū)的路基沉降變化值[3]。通過ABAQUS 有限元數(shù)值模擬分析土巖組合地基及換填處理后地基沉降變形特性[4]，以及對軟基不均勻沉降下的路堤沉降和力學(xué)響應(yīng)進行分析[5]。通過現(xiàn)場監(jiān)測及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法分析路基在不同工況條件下結(jié)構(gòu)層的受力變形特性[6]。高速公路設(shè)計速度大，路基產(chǎn)生的差異沉降威脅行車安全、縮短路面使用壽命，增加養(yǎng)護費用。

本研究以明村至董家口公路工程MDSG-2 合同段路基工程為依托，根據(jù)實體工況建立與明董高速項目填方地段浸水路基一致的有限元二維模型。通過數(shù)值模擬的方法對路基沉降、力學(xué)響應(yīng)進行分析，研究浸水高度、路基高度、路基填料特性對其影響，為浸水路基實體工程設(shè)計與施工提供借鑒。

1 工程概況

文章以明村至董家口公路工程MDSG-2 合同段路基工程為例，該工程以農(nóng)田、苗圃為主，地表水位較高（與原地表相對高差僅50～80cm），水系分散，自然水溝較多，汛期洪水量大，地表徑流密布，多段路基為常年浸水路基。

2 有限元模型

2.1 模型概述

在前期充分調(diào)研基礎(chǔ)上，確定浸水路基的基本設(shè)計方案，路基邊坡為二級邊坡，上下級邊坡坡度均為1：1.5。依托明董高速實體工程，利用ABAQUS 有限元軟件建立二維數(shù)值模型，模型包括路基與地基，地基高10m，路基高12m，均為粉質(zhì)粘土。路基每級邊坡路基高6m，總寬度為34.5m，路基底部寬81.5m。地基和路基均采用CPE4P 劃分網(wǎng)格，模擬左側(cè)水位循環(huán)升降，模擬工況為填筑后365d 浸水路基的模型。

2.2 模型參數(shù)

通過室內(nèi)試驗對明董高速MDSG-2 合同段浸水路基回填土基本性能進行測試，路基回填土最大干密度為2.02g/cm3，最佳含水率8.5%，液限29.4%，塑限16.2%，CBR5.6%，彈性模量51.5Mpa。

利用ABAQUS 中的Mohr-Coulomb 模型對路基及地基材料進行定義，對于滲流問題，考慮了滲透系數(shù)方程和土水特征曲線兩個水力學(xué)參數(shù)[7]。在室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上，參考相關(guān)文獻確定路基及地基粉質(zhì)粘土的材料參數(shù)，路基填料和粉質(zhì)粘土最大干密度分別為2.02g/cm3和1.64g/cm3，彈性模量為51.5Mpa 和12.5Mpa，泊松比為0.35 和0.30，內(nèi)摩擦角為16°和36°，膨脹角為10°和13°，滲透系數(shù)為1.000×10-4m/day和1.2×10-2m/day。

3 結(jié)果分析

3.1 浸水高度對路基沉降和力學(xué)響應(yīng)的影響

建立浸水高度分別為0m、2m、4m 及6m 的路基模型，根據(jù)計算結(jié)果分析。由圖1 可知：未浸水時路基沉降最小，沉降量為5.1～5.6cm；在沉降初始階段，由于路基左側(cè)浸水多，孔隙水壓力較大，土體吸水膨脹，左端土體有所隆起，沉降值小于右側(cè)，但是隨著水位循環(huán)升降的不斷進行，左端土體塑性應(yīng)變逐漸累積，直到最后浸水2m、4m 及6m 時，浸水側(cè)路基沉降分別達到6.5cm、7.3cm 及8.2cm，相比未浸水時沉降分別增加24%、43%及61%。由此可見，在水位循環(huán)升降工況下，浸水高度對路基沉降影響較大。浸水高度越大，路基沉降越大，并且浸水側(cè)沉降大于未浸水側(cè)沉降。在實際工程中，可將高速公路浸水一側(cè)積水及時排出保障路基安全穩(wěn)定。

圖1 浸水高度對路基沉降的影響

未浸水時路基兩側(cè)豎向有效應(yīng)力基本一致，浸水高度對豎向有效應(yīng)力影響較大，浸水后，路基兩側(cè)豎向有效應(yīng)力減小，浸水一側(cè)降幅較大，未浸水一側(cè)降幅較小。浸水高度越大，豎向有效應(yīng)力越小，兩側(cè)豎向有效應(yīng)力差越大。浸水后，浸水側(cè)孔隙水壓力顯著增加，浸水高度對路基孔隙水壓力影響較大，浸水高度越高，浸水側(cè)孔隙水壓力越大，兩側(cè)孔隙水壓力差也越大。因此為保證高速公路整體安全性，應(yīng)及時排出浸水一側(cè)的積水。

綜上所述，在水位循環(huán)升降工況下，浸水高度對路基沉降、豎向有效應(yīng)力和孔隙水壓力有顯著影響。路基沉降、孔隙水壓力呈現(xiàn)為浸水側(cè)大、未浸水側(cè)小。路基土豎向有效應(yīng)力表現(xiàn)為浸水后降低，浸水一側(cè)降幅大于未浸水一側(cè)。其原因是隨著浸水高度增加，水位差增大，土壤原有狀態(tài)發(fā)生改變，物理力學(xué)性能退化。為保證高速公路安全穩(wěn)定，需加強排水設(shè)施，加強浸水一側(cè)路基防護。

3.2 路基高度對路基沉降和力學(xué)響應(yīng)的影響

建立浸水高度6m，路基高度分別為8m、10m、12m、14m 及16m 的有限元模型，根據(jù)計算結(jié)果分析。路基高度分別為8m、10m、12m、14m 及16m 時，浸水側(cè)沉降最大值分別為5.3cm、6.7cm、8.2cm、9.6cm 及10.9cm，路基高度越高，沉降越大，兩側(cè)差異沉降也越大，由此可見，路基高度對路基沉降影響較大。路基高度對豎向有效應(yīng)力有一定影響，隨著路基高度的增加，路基豎向有效應(yīng)力增大，路基兩側(cè)豎向應(yīng)力整體呈現(xiàn)出浸水側(cè)小遠(yuǎn)側(cè)大的趨勢。路基高度是路基孔隙水壓力的重要影響因素，隨著路基高度的增加，浸水側(cè)土體所受孔隙水壓力逐漸減小，路基兩側(cè)孔隙水壓力差不斷減小，浸水側(cè)孔隙水壓力大，未浸水側(cè)孔隙水壓力小。

綜上所述，在水位循環(huán)升降工況下，路基高度是影響浸水路基沉降、豎向有效應(yīng)力及孔隙水壓力的重要因素。其原因是是隨著路基高度的增大，路基土體自身重量增加，土體有效應(yīng)力增加，土體產(chǎn)生壓縮變形增大。隨著路基高度的增加，路基沉降增大，豎向有效應(yīng)力增加，孔隙水壓力減小。

3.3 路基土泊松比對路基沉降和力學(xué)響應(yīng)的影響

建立浸水高度6m、路基高度12m、泊松比分別為0.15、0.2、0.25、0.3、0.35 的有限元模型，根據(jù)結(jié)果分析。隨著泊松比從0.15 增加至0.35，沉降逐級減小0.1～0.2cm，兩側(cè)沉降差約為1.9cm，路基沉降隨泊松比增大沉降減小，路基沉降整體規(guī)律呈現(xiàn)為浸水側(cè)沉降大于未浸水側(cè)。由此可見，泊松比對路基橫向沉降有一定影響，但影響較小。不同泊松比豎向有效應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，隨著泊松比增加，路基豎向有效應(yīng)力稍微增加，但變化極小，泊松比對路基豎向有效應(yīng)力改變影響較小。泊松比增加，孔隙水壓力分布大小基本未變，泊松比對路基孔隙水壓力基本無影響。

綜上所述，水位循環(huán)升降工況下，泊松比改變對路基沉降有一定影響，對豎向有效應(yīng)力影響較小，對孔隙水壓力基本無影響。分析其原因是由于泊松比增大，路基土抵抗變形能力增加，在水侵蝕作用下路基產(chǎn)生的沉降減小。在實際工程中，高速公路浸水路基可提高土泊松比來保障浸水路基安全穩(wěn)定。

3.4 路基回彈模量對路基沉降和力學(xué)響應(yīng)的影響

建立浸水高度6m、路基高度12m、泊松比為0.35、回彈模量分別為20MPa、50MPa、80MPa 及120MPa 的有限元模型，根據(jù)結(jié)果分析。

回彈模量分別為20MPa、50MPa、80MPa 及120MPa 時，最大沉降分別為10.1cm、8.2cm、7.7cm 及7.4cm，最大沉降位置靠近浸水側(cè)；回彈模量為20MPa時整體沉降最大，增至50MPa 時沉降明顯減小，最大減小18.8%；回彈模量≥50MPa 后沉降減小但程度較低。由此可見，水位升降工況下，回彈模量是路基沉降的重要影響因素。回彈模量越大，沉降越小，浸水側(cè)路基沉降大于未浸水側(cè)路基沉降。實際工程可提高路基回彈模量保障工程安全穩(wěn)定。

路基回彈模量對豎向有效應(yīng)力影響較小，隨著回彈模量的增加路基兩側(cè)豎向有效應(yīng)力變化較小，豎向有效應(yīng)力分布規(guī)律為浸水側(cè)小未浸水側(cè)較大。改變回彈模量，路基孔隙水壓力基本未變，回彈模量對路基孔隙水壓力基本無影響。

綜上所述，在水位循環(huán)升降工況下，回彈模量變化對路基沉降影響較大，對豎向有效應(yīng)力影響較小，對孔隙水壓力基本無影響。分析其原因是路基回彈模量增大，路基的承載力提高，抵抗變形能力增強，路基產(chǎn)生沉降減小。在實際工程中，高速公路可選用大回彈模量路基來保障工程安全穩(wěn)定。

4 結(jié)論

通過研究主要得到以下結(jié)論：

（1）在水位循環(huán)升降工況下，浸水高度、路基高度、路基回彈模量和對浸水路基沉降影響較大，路基土泊松比對其影響較小。浸水后土體塑性變形不斷累積，最終沉降整體表現(xiàn)為浸水側(cè)大于未浸水側(cè)；減小浸水高度、增大路基回彈模量及泊松比可減小浸水側(cè)沉降。在實際應(yīng)用中，適當(dāng)增大路基土模量、提高路基壓實度可減小路基不均勻沉降。

（2）在水位循環(huán)升降工況下，浸水高度、路基高度對路基豎向有效應(yīng)力影響較大；路基回彈模量和路基土泊松比對其影響較小；浸水后路基豎向有效應(yīng)力降低，浸水側(cè)降幅大于未浸水側(cè)。在高速公路中，應(yīng)及時將浸水一側(cè)積水排出保障路基穩(wěn)定。

（3）在水位循環(huán)升降工況下，浸水高度、路基高度對路基孔隙水壓力影響較大；路基回彈模量和泊松比對路基孔隙水壓力基本無影響；減小浸水高度、邊坡防護可減小浸水側(cè)孔隙水壓力。在實際應(yīng)用中，應(yīng)做好邊坡防護及排水設(shè)施保障路基穩(wěn)定。