粉煤灰路堤與常規路堤變形規律對比分析

李 廣

(1.長沙理工大學交通運輸學院，湖南長沙 410000; 2.國家級瀏陽經濟技術開發區開發投資有限公司，湖南長沙 410329)

軟土地基［1，2］天然含水量高、孔隙比大，具有承載力低、壓縮性高、抵抗剪切變形能力差等特點。軟基路堤沉降變形及其規律在軟基處治設計中占有十分重要的地位，至今仍是軟基路堤研究需解決的關鍵問題。目前公路常用粉煤灰和粘性土作為軟基的填筑材料，掌握不同筑路材料下軟基變形規律是地基沉降變形的重要內容，也是決定軟基是否需要處理的重要步驟。

1 理論分析方法

有限元法(Biot法)［3］計算中地基和結構作為一個整體來分析，將其劃分網格，形成離散體結構，在荷載作用下算得任意時刻地基和結構各點的位移和應力。本文利用有限元法求解比奧固結方程，避免了一維固結計算的許多弊端。比奧固結理論的有限單元法公式為:

{δ}——單元的結點位移;

［K′］——單元結點孔隙壓力所對應的那部分結點力;

{β}——單元的結點超孔隙壓力;

{R}——結點的荷載向量;

以上比奧固結理論的有限單元法公式，可以方便的編入有限元程序中進行電算求解。

2 理論計算結果

為討論不同填筑材料對軟基沉降變形規律的影響，粉煤灰參數選用粉煤灰室內實驗的結果。計算時路堤荷載分級加載，施工結束后我們分別考慮了3月，6月，12月，24月，36月，120月，240月。理論計算選取的土層計算參數見表1。

表1 理論模型計算參數

本文分別計算了路堤頂面寬度為30m時，軟基厚度20m，路堤高度為2m，5m，7m時填料路堤沉降變形規律，路堤的邊坡坡比均為1∶1.5。計算結果見表2，表3，計算所得的沉降和位移曲線分別見圖1，圖2。根據以上的計算結果表明:粘性土路堤的沉降變形規律基本和粉煤灰路堤一致。根據圖1顯示，在軟基深度為20m時，其中心點的豎向變形大于路基兩側，呈一盆狀沉降形式。但由于粘性土路堤的自重荷載比粉煤灰大1.6倍，所以在同一高度下，粘性土路堤的豎向變形和水平位移均比粉煤灰路堤大很多。由圖2看出，粘性土路堤高度分別為2m，5m，7m時，計算的豎向變形分別是粉煤灰路堤的1.65倍，1.86倍，1.99倍，說明路堤越高，粘性土路堤與粉煤灰路堤豎向變形之比就越大。

從表3的計算結果上看出，由于路堤荷載的增加，地基中的大主應力、小主應力、剪應力和應力水平都高于同等情況下的粉煤灰路堤。根據圖2不同高度粘性土路堤的固結過程曲線看出，粘性土路堤高度越大，其后期沉降越大，達到一定工后沉降所需的時間就越長。

表2 不同路堤高度粘土填料中心點沉降變形結果匯總(軟基深度20m) cm

表3 粉煤灰路堤與常規路堤中心地基土計算結果

圖1 粘性土路堤的固結過程地表沉降變形曲線（路堤高7m）

圖2 不同高度粘性土路堤的固結過程曲線

3 工程實例分析

湖南某高速軟基段在路堤填筑高度較大的地段采用了粉煤灰路堤形式，粉煤灰路段樁號為:K20+125～K20+835和K22+032～K22+193兩段，其觀測點主要有:K20+520，K22+098。這些觀測點處各層土的力學參數見表4。

表4 各層土力學參數簡表

根據以上土層參數，我們分別利用二維比奧固結有限元法計算了粉煤灰路堤和同等高度粘性土路堤的沉降情況和最終沉降量。并根據現場實際觀測結果，利用雙曲線法計算了粉煤灰路堤的最終沉降量。計算結果分別見表5和圖3，圖4。

表5 粉煤灰路段的計算結果分析

圖3 K20+520斷面沉降變形計算結果

圖4 K22+098斷面沉降變形計算結果

根據以上各點計算結果可以看出，粉煤灰路堤的實際沉降和計算沉降都比同高度常規粘性土路堤低得多，同上節的計算分析結果類似，兩個斷面粉煤灰路堤沉降分別只有粘性土路堤沉降的0.50倍，0.55倍。由于粉煤灰路堤最終沉降量小，固結變形發展較快，有利于減小路堤的工后沉降。同時，由于粉煤灰路堤的自重輕，在地基中產生的附加應力小，在同一地點，粉煤灰路堤的極限填筑高度將大于常規路堤，粉煤灰填筑路堤還可以減少由于路堤沉降而造成的后期補載工作量。

4 結論

1)粘性土路堤的沉降變形規律基本和粉煤灰路堤一致。但由于常規粘性土路堤的自重荷載比粉煤灰大1.6倍，所以在同一路堤高度下，地基中的大主應力、小主應力、剪應力和應力水平都高于同等情況下的粉煤灰路堤。

2)在某些常規路堤應用需要進行處治的地段，如果采用粉煤灰路堤便可以減少處治措施甚至不處治，從而大大節省工程費用。

［1］JTJ 017-96，公路軟土路基路堤設計與施工技術規范［S］.

［2］張誠厚.高速公路軟基處理［M］.北京:中國建筑工業出版社，1997.

［3］錢家歡，殷宗澤.土工原理及計算［M］.第2版.北京:中國水利水電出版社，2000.