高陡坡路堤工后沉降數值模擬研究

摘 要：為研究不同加固方式對高陡坡路堤工后沉降的影響，本文以山東某山區高速公路為研究對象，結合室內試驗，利用ABAQUS有限元軟件，研究了強夯技術、土工格柵兩種加固條件下，路堤頂面沉降量的變化。研究結果表明：填土材料前期蠕變變形明顯，其蠕變應變隨著荷載增加不斷變大。與夯實技術相比，土工格柵可以顯著減少填土路堤頂面沉降量。距路堤頂面右端0m處沉降量：強夯技術減少了14.75%，土工格柵減少了80%。距路堤頂面右端26m處沉降量：強夯技術減少了28.1%；土工格柵減少了57.7%。在鋪設土工格柵條件下，填土路堤的最大沉降量在距路堤右端約8m處，且土工格柵的鋪設間距對沉降量的影響較小。

關鍵詞：加固方式；高陡坡路堤；沉降；數值模擬

中圖分類號：U 41" 文獻標志碼：A

高速公路的飛速發展是我國經濟的穩步提升的基礎，新增高速公路多修建在復雜艱險山區，時常面臨路基差異沉降、邊坡滑移等病害威脅，嚴重危害行車安全、縮短使用壽命、增加養護成本等[1]。因此，如何有效防治高陡坡路堤病害成為眾多學者的研究重心。

目前，國內外學者對陡坡地基上超高填路堤的變形及治理措施進行一系列研究，并取得了豐富的研究成果。丁玉仁[2]基于FLAC3D數值模擬軟件，研究了坡度、坡面及坡腳形式對路堤沉降、水平位移的影響；陳明非等[3]介紹了土工格柵加筋土的優點，并觀測了土工格柵加筋土路堤的豎向、水平位移情況；李桂花[4]研究了鉆孔注漿防治措施對軟土地基路堤沉降的防治效果；董海洋[5]研究了灰土擠密樁對濕陷性黃土地基高填方路堤沉降量及沉降速率的影響；彭儀普等[6]基于ABAQUS軟件，研究了不同CFG樁樁長、樁徑、墊層厚度等條件下，地基沉降量的變化規律。綜上所述，路堤沉降的防治措施多樣，防治效果各有千秋，但對強夯技術、加筋技術防治效果的研究較少。

鑒于此，本文以山東某山區高速公路為研究對象，結合室內試驗，采用ABAQUS有限元軟件，研究強夯技術、土工格柵對路堤沉降的影響，為高陡坡路堤沉降防治措施選擇提供依據。

1 填料室內試驗研究

試驗所用材料取自山東某山區高速公路高陡坡填土路堤。制備5組500g填土試樣，含水率分別設置為2%、4%、6%、8%、10%。對其進行基本物理試驗，所得填土級配數據見表1。

山東某山區高速公路高陡坡填土路堤采用分層（10m）填筑，填筑高度為40m，因此對壓實度93%的飽和試樣進行室內壓縮固結蠕變試驗。設置土顆粒密度為2g/cm3，分別施加荷載200kPa、400kPa、600kPa、800kPa模擬分層填筑，試驗結果如圖1所示。

由圖1可知，填土試樣在試驗前期蠕變速率較大，隨著試驗進行，速率逐漸減至0，試樣變形趨于穩定。最終累計應變：3.9%（800kPa）＞3.0%（600kPa）＞1.9%（400kPa）＞1.46%（200kPa），說明填土試樣最終累計應變隨荷載增加而增加；增加速率（荷載每增加100kPa，試樣應變增加量）為0.73%/100kPa（200kPa）＞0.5%/100kPa（600kPa）＞0.4875%/100kPa（800kPa）＞0.475%/100kPa（400kPa），說明荷載對填土試樣應變的增加效果前期較為顯著，后期效果減弱。

根據李瓊林等[7]對土體蠕變本構模型的研究，公式（1）可以更好地描述填土的蠕變特征。

（1）

式中：ε為任意時刻試樣的應變大小；A、m、n為蠕變本構模型三參數；σ為試樣的加荷大小；t為試驗時間。

由圖1可知，填土試樣的蠕變三參數擬合結果：A為3.14×10-9，m為1.19，n為-0.9，可以為后續工況數值模擬中材料蠕變參數選取提供依據。

2 數值模型建立

本文以山東某山區高速公路為研究對象，路堤采用填土材料分層（10m）填筑，填筑高度為40m，陡坡坡度為40°，坡率為1∶1.5，路堤頂面寬為26m。利用ABAQUS有限元軟件建立該工況數值模型，如圖2所示，相關結構材料參數見表2。

應用強夯技術后，由于土體壓實度改變，因此彈性模量也會發生變化，說明彈性模量與夯實次數有關[8]。彈性模量變化如圖3所示。

由圖3可知，填土材料強夯后，彈性模量隨強夯次數增加而變大，強夯2次、3次、4次的彈性模量分別為57.20MPa、70.51MPa、81.79MPa。因此，可通過不同的強夯技術改變填土路堤的沉降，控制路堤的變形。土工格柵的材料參數見表3。

3 結果分析

3.1 強夯技術的影響

研究強夯技術對路堤頂面的沉降影響，圖4為強夯2次與未強夯條件下，路堤頂面沉降量的變化曲線。

由圖4可知，路堤頂面沉降量隨距路堤頂面右端距離增加而逐漸減少，且減少速率也在不斷降低。強夯技術可以顯著減少路堤頂面的沉降量，且幅度隨距路堤頂面右端距離增加呈降低趨勢。當距路堤頂面右端0m時，未強夯時沉降量為80mm，強夯2次的沉降量為68.2mm，強夯技術使距路堤頂面右端0m處的沉降量減少了14.75%。當距路堤頂面右端26m時，未強夯的沉降量為8.2mm，強夯2次的沉降量為5.9mm，強夯技術使距路堤頂面右端26m處的沉降量減少了28.1%。

由圖3可知，填土材料彈性模量隨強夯次數增加而變大。因此，在不同夯實次數條件下，路堤頂面沉降量的變化如圖5所示。

由圖5可知，隨著夯實次數增加，路堤頂面沉降量在逐漸減少，但效果在不斷減弱。當距路堤頂面右端0m時，未強夯時的沉降量為80mm，強夯2次的沉降量為68.2mm，強夯3次的沉降量為64mm，強夯4次的沉降量為59.7mm，距路堤頂面右端0m處的沉降量分別為5.9mm/次（強夯2次）＞5.3mm/次（強夯3次）＞5.1mm/次（強夯4次）。當距路堤頂面右端26m時，未強夯的沉降量為8.2mm，強夯2次的沉降量為5.9mm，強夯3次的沉降量為4.3mm，強夯4次的沉降量為3.6mm，距路堤頂面右端26m處的沉降量降低效果分別為1.3mm/次（強夯3次）＞1.15mm/次（強夯2次、4次）。

3.2 土工格柵的影響

為研究土工格柵對路堤頂面的沉降影響。在路堤及地基之間設置厚度為20cm、間隔0.5m的土工格柵，得到鋪設土工格柵條件下的路堤頂面沉降量，如圖6所示。

由圖6可知，土工格柵大幅度減少了路堤頂面沉降量，當距路堤頂面右端0m時，未鋪設土工格柵的沉降量為80mm，鋪設土工格柵的沉降量為16mm，土工格柵使距路堤頂面右端0m處的沉降量降低了80%。當距路堤頂面右端26m時，未鋪設土工格柵的沉降量為8.2mm，鋪設土工格柵的沉降量為5.2mm，土工格柵使距路堤頂面右端26m處的沉降量降低了57.7%。在鋪設土工格柵條件下，填土路堤的最大沉降量在距路堤右端約8m處。

為研究土工格柵的鋪設間隔對路堤頂面沉降量的影響，另外設置鋪設間隔為1m的工況，在3種條件下，路堤頂面沉降量如圖7所示。

由圖7可知，在鋪設間隔1m與鋪設間隔0.5m兩種條件下，路堤頂面沉降量曲線基本重合，說明兩種鋪設間距對沉降量的影響較小。

4 結論

本文以山東某山區高速公路為研究對象，結合室內試驗，基于ABAQUS有限元軟件，研究強夯技術、土工格柵對路堤頂面沉降的影響，得到以下結論。1）填強夯技術能夠有效減少路堤頂面的沉降量，且隨著夯實次數增加，路堤沉降量逐漸減少，但效果逐漸減弱。特別是在距路堤頂面右端的不同距離處，強夯技術對沉降量的降低幅度表現出明顯差異。2）鋪設土工格柵可以顯著減少路堤頂面的沉降量，尤其是在靠近路堤頂面右端的區域，沉降量減少幅度更為明顯。不同鋪設間隔對沉降量的影響較小，表明在實際工程中可選擇較為經濟合理的鋪設間距。

參考文獻

[1]徐超.馬拉維希雷河谷改造項目臨時道路路堤邊坡加固效應研究[J].中國新技術新產品，2022（24）：130-132.

[2]丁玉仁.復雜陡坡地形條件下高填路堤變形的數值模擬研究[J].路基工程，2020（2）：139-143.

[3]陳明非，葉世泉，魯玉忠.土工格柵加筋土高陡坡路堤應用實踐[J].人民黃河，2010，32（9）：141-142.

[4]李桂花.高速公路軟基路堤沉降防治措施研究[J].工程技術研究，2023，8（18）：72-74.

[5]董海洋.高路堤灰土擠密樁加固效果分析[J].北方交通，2023（9）：46-50.

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[8]錢家歡，帥方生.邊界元法在地基強夯加固中的應用[J].中國科學（A輯 數學 物理學 天文學 技術科學），1987（3）：329-336.