非連續施工條件下路堤填土壓實度特性分析

■ 林 堃

（1.福建省交通科學技術研究所；2.福建省公路水運工程重點實驗室，福州 3 50004）

1 引言

針對潮濕多雨地區路堤填土，在福建省寧德京臺高速公路A3合同段試驗研究的基礎上選取典型斷面K78+700，采用有限元方法進行數值模擬分析。依據《潮濕多雨地區路基填土壓實特性與填筑質量控制標準研究》課題成果，模型中考慮非飽和路堤填土的應力和滲流耦合，通過模擬路堤填筑施工過程以及竣工后隨時間不斷固結過程，可以獲得路堤的沉降量、水平位移以及體積應變，由體積應變可求得體積變化量，進而求得固結后的密度，最終可由密度求得壓實度，進而分析壓實度隨各種因素的變化規律。以下針對潮濕多雨地區填土在非連續施工條件下路堤土壓實特性進行分析。

2 計算方法

2.1 計算軟件簡介

本次對路堤的有限元計算分析采用的是GeoStudio有限元軟件中的SIGMA/W和SLOPE/W模塊，通過對路堤填筑過程進行應力-滲流耦合模擬，獲得路堤和地基的應力應變分布規律，進而研究壓實度在各種工況下的變化規律。SIGMA/W是一個專門分析巖土結構應力和變形的有限元軟件，它可用于多種不同的應力應變本構關系的分析，從簡單的線彈性分析到復雜的非線性彈塑性分析。加載和卸載都可以分步進行，并且還可以實現與滲流模塊的耦合求解，考慮施工過程中隨孔隙水壓力的變化而產出的固結變形。SLOPE/W模塊可用于各種巖土邊坡的穩定性分析，提供多種基于極限平衡的邊坡穩定性分析方法和有限元邊坡穩定性分析方法，由于有限元方法能夠考慮邊坡的實際應力和變形狀態，因此本次采用有限元方法進行路堤的穩定性分析。

2.2 計算模型和參數

依據計算方案選取不同高度的路堤典型橫剖面進行計算。依據地質勘測剖面圖，地表存在約12m深的粘性土，之下為巖基，基巖的變形遠小于地基粘土，其變形可以忽略。因此路基以下的地基深度取12m，表層3m為坡積粘土，之下9m為殘積粘土。地基表面從堤腳向兩側延伸寬度為35m，堤頂寬度都為26m，堤高為8m，坡比為1∶1.5。

本次分析需要考慮施工過程中路堤的變形，因此需要采用應力—滲流耦合分析，這就需要對計算模型的邊界同時設置應力變形約束和滲流邊界條件。對壩基底面施加x和y方向的雙向約束，在地基的左右兩側約束x方向位移，允許豎向自由沉降，對于滲流邊界，地基底面為不透水邊界，地基的左右兩側依據地下水位深度設置水頭邊界，地面和填筑體表面為自由排水邊界。初始地下水位設置在地面以下2 m深度處。有限元模型網格劃分如圖1所示。

圖1 有限元計算模型

表1 路堤填土和地基土的計算參數

路堤填土的計算參數都由室內試驗獲取，地基的計算參數參考地勘報告中鉆孔取樣的數據獲取。滲流分析時采用飽與非飽和滲流方程，非飽和分析需用的土—水特征曲線依據填土的級配曲線估算，非飽和滲透函數由土—水特征曲線估算。不同壓實度、不同含水率的路堤填土及地基土坡積和殘積粘土的計算參數如表1所示。

3 有限元計算分析

南方多雨地區經常會遇到降雨而被迫停工，因而無法連續施工。為研究非連續施工對路堤壓實度的影響，采用初始壓實度93%、高8 m的路堤進行計算分析，非連續施工采用每填筑1 m間歇5 d、10 d、20 d、30 d和60 d五種方案，之后繼續填筑下一層。這五種方案的填土高度隨時間的變化如圖2～7所示。

3.1 不同施工間歇時間路堤的沉降規律

經計算可知：不同施工間歇時間的路堤的堤身沉降量分布規律類似，沉降量最大值都出現在路堤軸線、距堤基約1/3堤高處，隨著施工間歇時間的增大，竣工時堤身中浸潤線的位置降低；沉降穩定時不同施工間歇時間的路堤的堤身沉降量分布規律類似，沉降量最大值都出現在路堤軸線、距堤基約1/3至1/2堤高處，隨著施工間歇時間的增大，沉降穩定時路堤的固結沉降量減小。這是因為施工間歇時間越長，孔隙水壓力就有更充分的時間消散，施工期的固結程度就越高，因此最終的沉降量會越小。圖2為施工間歇時間5d時高8 m的路堤竣工時沉降量等值線圖。圖3為施工間歇時間5d時高8 m的路堤沉降穩定時沉降量等值線圖。

圖2 施工間歇時間5 d時竣工沉降量（m）等值線圖

圖3 施工間歇時間5 d沉降穩定時沉降量（m）等值線圖

圖4為路堤的最大沉降量隨施工間歇時間的變化曲線。由圖可知，竣工時的固結度隨施工間歇時間的增大而增大。竣工時和沉降穩定后路堤的最大沉降量隨施工間歇時間的變化規律相反。竣工時，最大沉降量隨施工間歇時間的增大而增大。這是由于施工間歇時間越長，施工期填土的固結越充分，因而最大沉降量越大。沉降穩定時，最大沉降量隨施工間歇時間的增大而減小。這是由于施工間歇時間越長，施工期固結程度越高，填土變硬，則填土的最終變形量就越小。

圖4 路堤的最大沉降量及固結度隨施工間歇時間的變化曲線

3.2 壓實度隨施工間歇時間的變化規律

計算分析可知，竣工時和沉降穩定時壓實度增量隨著填土高度變化而變化的規律不同。

竣工時，不同高度處的壓實度隨施工間歇時間變化而變化的規律相似，都是隨著施工間歇時間的增大，壓實度增量逐漸增大。這是因為每層填筑后停歇時間越長，孔隙水壓力就有更長的消散時間，因此固結沉降量更大，壓實度提高更多。相同施工間歇時間，位于不同高度處填土的壓實度度增量隨高度的增大而減小。即最底層 （第1 m）的壓實度增量最大，最高一層（第8 m）的壓實度增量最小。這主要是由于上層土的自重對下層土的壓實作用。圖5為高8 m的路堤各層填土的壓實度隨施工間歇時間的變化曲線（竣工時）。

當沉降穩定時，不同高度處路堤的壓實度隨施工間隔時間變化的規律相似。壓實度增量都隨著施工間隔時間的增大而減小。這是因為施工間隔時間越長，施工過程中填筑層以下的土層的固結程度越高，相當于產生了預壓作用，因此各土層的壓實度增量都越小。當施工間隔時間相同且＜10 d時，壓實度增量隨著層高的增大而增大，即路堤頂層的壓實度增量大于路堤底層。這主要是由于施工速度較快時，孔隙水壓力來不及消散，致使路堤下部的土層無法有效固結，因而其壓實度增量較小。當施工間隔時間相同且＞10d時，壓實度增量隨著層高的增大而減小，即路堤頂層的壓實度增量小于路堤底層。這是由于施工速度較慢時，孔隙水壓力能夠逐漸消散，上覆土層自重對下部土層產生了有效的壓縮作用，因而下部土層壓實度增量較大。圖6為高8m的路堤各層填土的壓實度隨施工間歇時間的變化曲線（沉降穩定時）。

圖5 路堤各層填土的壓實度隨施工間歇時間的變化曲線（竣工時）

圖6 路堤各層填土的壓實度隨施工間歇時間的變化曲線（沉降穩定時）

圖7為整個路堤壓實度增量平均值隨施工間歇時間的變化曲線。由圖可知，竣工時和沉降穩定后壓實度增量平均值隨施工間歇時間的變化規律相反。竣工時，壓實度增量隨施工間歇時間的增大而逐漸增大，說明施工間歇時間越長，施工期填筑土體能有更長的固結時間，因此固結壓縮量更大，壓實度增量也就越大。相反，沉降穩定后，壓實度增量隨施工間歇時間的增大而逐漸減小，說明這也是由于施工間歇時間越長，施工期的固結程度越大，土體越硬，因此最終的壓縮量隨施工間歇時間的增大而減小，故壓實度增量也減小。

圖7 壓實度增量平均值隨施工間歇時間的變化曲線

4 結論

（1）對于不同施工間隔時間的路堤，竣工時，路堤的沉降量隨著施工間隔時間的增大而增大；沉降穩定時，沉降量隨著施工間隔時間的增大而減小。

（2）對于不同施工間隔時間的路堤，竣工時，壓實度增量都隨施工間隔時間的增大而增大；沉降穩定時，壓實度增量都隨施工間隔時間的增大而減小。

（3）對于不同施工間隔時間的路堤，竣工時，路堤的壓實度增量都隨層高的增大而減小；沉降穩定時，施工間歇時間＜10d時，由于施工速度較快時，孔隙水壓力來不及消散，致使路堤下部的土層無法有效固結，路堤的壓實度隨層高的增大而增大；施工間歇時間＞10d時，由于施工速度較慢時，孔隙水壓力能夠逐漸消散，上覆土層自重對下部土層產生了有效的壓縮作用，路堤的壓實度隨層高的增大而減小。