黃渭高速公路過濕黃土路基變形特性分析

許 魁，王志峰

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

黃渭高速公路過濕黃土路基變形特性分析

許 魁，王志峰

(安徽省交通規劃設計研究總院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

過濕黃土具有明顯的壓縮性和濕陷性，其抗剪強度低，力學性質差，相對于一般黃土，過濕黃土在自重應力和車輛荷載的循環作用下會產生更明顯的塑性變形。結合黃渭高速公路過濕黃土特性，采用ABAQUS有限元軟件對過濕黃土路基壓實度在0.87～0.94、含水率在18%～22%內的應變及位移規律進行研究。結果表明：過濕黃土路基變形集中在路基頂面2 m深度范圍內，中心線不同深度及路基頂面各位置隨著壓實度的增加而減少，但當壓實度過高時，影響效果逐漸減小；并且隨著含水率的增加，路基的沉降變形會顯著增大。實際工程在黃土場地填筑路基時，應關注黃土的含水率，并結合地基土性質和場地條件，對過濕黃土地基采取合理的處治加固。

過濕黃土路基；壓實度；含水率；變形特性；處治加固

在國家“西部大開發”及“一帶一路”的發展戰略下，西部黃土地區公路網建設進一步加快。隨著黃土路基公路的建設，黃土路基病害逐步顯現，其中過濕黃土路基引起的公路病害尤為嚴重。過濕黃土由于其特殊的壓縮變形特征和濕陷性變形特征，如作為填筑路基時處理不當，會極大地影響公路的質量，甚至引起路基沉陷等病害，最終導致公路的損毀[1-4]。

目前多數學者們對黃土路基變形沉降有了一定的研究，集中在黃土自身特性和黃土路基變形兩個方面，主要采用非飽和土固結理論[5-7]。胡再強、翁效林及袁克闊等學者研究表明黃土中若含有一定量的自由水時，其壓縮性和濕陷性較干燥的黃土顯著，而含水率較高的過濕黃土在車輛荷載、自重荷載及工程擾動下的變形更為明顯[8-10]。綜合國內外大量黃土地區路基的病害特征，過濕黃土路基地段的病害成因主要集中在兩個方面：

(1)對過濕黃土物理力學性質認識不到位：在設計階段未能全面考慮過濕黃土的受力與變形特性；使得設計模型和實際路基情況差距較大。

(2)過濕黃土處理不合理：未能采取有效的處治措施對過濕黃土路基進行加固，導致運營階段路基病害屢見不鮮。因此在過濕黃土路基段，有必要對路基的變形特性進行研究，以保證路基在運營中的穩定性。

1 工程概況

過濕黃土是指含水率在20%左右，飽和度大于60%的高塑限黃土，相對于一般黃土，過濕黃土在自重應力和車輛荷載的循環作用下更易發生排水固結沉降和蠕變，在路基施工階段和路面前期運營階段對路基的穩定性造成不可忽視的影響。

黃渭高速公路地處黃土高原地帶，全線路基主要以黃土為主，其中30%的路線內分布著含水率高于18%的過濕黃土，主要成分是粒徑小于0.25 mm的粉質粘土，一般粉土含量約占總顆粒質量的60%以上。K18+700斷面黃土路基如圖1所示。

圖1 黃渭高速K18+700斷面過濕黃土路基

通過黃土側限壓縮試驗和雙線濕陷試驗表明，這類土具有明顯的壓縮性和濕陷性特征，故過濕黃土的過濕特性研究及處治成為項目建設的關鍵。

2 有限元模型

2.1 模型建立

采用ABAQUS軟件對黃渭高速公路K18+700斷面建立有限元模型，模型簡化如圖2所示，并采用結構劃分的方法對有限元模型進行網格劃分，有限元模型如圖3所示。過濕黃土為典型的彈塑性體，在ABAQUS有限元分析中將彈塑性體的變形分為彈性變形和塑性變形兩個組成部分，為了更好模擬過濕黃土在荷載作用下的孔隙水壓力和含水率變化，本模型采取Drucker-Prager屈服準則來表征其力學本構關系。

圖2 模型簡化圖

圖3 有限元模型

2.2 參數選取

模型的參數選取采用黃渭高速公路地質勘查報告設計資料，為了計算方便，將路面結構層簡化為作用在路基上均布荷載，并采用公路Ⅰ級荷載進行模型計算，路基模型參數見表1。

表1 路基模型參數

2.3 計算工況

(1)研究壓實度為0.87，0.90，0.92，0.94時含水率為20%的過濕黃土路基中心線及路基頂面處的豎向應變及豎向位移。

(2)研究含水率為18%，20%，22%時壓實度為0.90時的過濕黃土路基中心線及路基頂面處的豎向應變及豎向位移。

3 壓實度對過濕黃土路基變形特性影響

3.1 過濕黃土路基應變變化規律

不同壓實度下過濕黃土路基中心線及路基頂面處的豎向應變的變化規律如圖4所示。

圖4 不同壓實度下過濕黃土路基豎向應變

從圖4(a)中可以看出，不同壓實度下過濕黃土路基的應變在路基中線深度1 m處達到最大，路基淺層的應變較明顯；從圖4(b)中可以看出并且在路基頂面處呈現“W”形分布，即行車道內側的應變較大。并且隨著過濕黃土路基壓實度的增加，豎向應變不斷減少的，譬如壓實度為0.87的過濕黃土路基中心點頂面的最大豎向應變量為0.78×10-3，壓實度為0.94的過濕黃土路基中心點頂面的最大豎向應變量為0.62×10-3。說明了隨著壓實度的增加，過濕黃土路基的沉降變形會減少。這主要是由于壓實度的增加，黃土結構變得致密，土體顆粒之間的位移減少，內摩擦角增大。可見合理的增大過濕黃土路基壓實度可以很好地減少其不均勻變形的發生。

3.2 過濕黃土路基位移變化規律

不同壓實度下過濕黃土路基中心線及路基頂面處的豎向位移的變化規律如圖5所示。

圖5 不同壓實度下過濕黃土路基豎向位移

從圖5中可以看出，隨著壓實度的增加，路基豎向位移不斷減少的，壓實度為0.87的過濕黃土路基中心點頂面的最大豎向位移量為0.785 mm，壓實度為0.94的過濕黃土路基中心點頂面的最大豎向應變量為0.545 mm，同比減少了30.0%。說明了隨著壓實度的增加，過濕黃土路基的沉降變形會顯著減少。同時可以發現在壓實度為0.87～0.92的范圍內壓實度影響顯著，當壓實度高于0.92后，變化幅度0.87～0.92范圍內顯著。由此可見，應當根據實際需求選用合適的壓實度，沒有必要追求過高的壓實度，影響路基施工經濟性。

4 含水率過濕黃土路基變形特性影響

4.1 過濕黃土路基應變變化規律

不同含水率下過濕黃土路基中心線及路基頂面處的豎向應變的變化規律如圖6所示。

圖6 不同含水率下過濕黃土路基豎向應變

從圖6中可以看出，不同含水率下隨著過濕黃土路基含水率的增加，豎向應變不斷增大的，并且相差較大，如含水率為18%的過濕黃土路基中心點頂面的最大豎向應變量為0.556×10-3，含水率為22%的過濕黃土路基中心點頂面的最大豎向應變量為0.958×10-3，同比增加了37.7%。說明了隨著含水率的增加，過濕黃土路基的沉降變形會顯著增加。同時，這種豎向應變差異隨著深度的增加不斷減弱，在過濕黃土路基和地基接觸面上基本消失。

4.2 過濕黃土路基位移變化規律

不同含水率下過濕黃土路基中心線及路基頂面處的豎向位移的變化規律如圖7所示。

圖7 不同含水率下過濕黃土路基豎向位移

從圖7中可以看出，不同含水率下隨著過濕黃土路基含水率的增加，豎向位移不斷增大的，如含水率為18%的過濕黃土路基中心點頂面的最大豎向位移量為0.568 mm，壓實度為22%的過濕黃土路基中心點頂面的最大豎向應變量為0.957 mm，同比增加了82.9%。說明了隨著含水率的增加，過濕黃土路基的豎向位移會顯著增大。這主要是由于含水率的增加黃土結構變得不致密，粘結物質的粘結能力減弱，土體顆粒之間的位移增大，內摩擦角較小。

5 結論

1)過濕黃土路基中心線不同深度及路基頂面各位置的變形隨著壓實度的增加，路基的沉降變形會減少，但當壓實度過高時，影響效果逐漸減小。由此可見，實際工程中應當根據需求考慮工程經濟性等選用合適的壓實度。

2)過濕黃土路基中心線不同深度及路基頂面各位置的豎向應變與位移受含水率的影響十分明顯。隨著含水率的增加，路基的沉降變形會顯著增大。可見過濕黃土路基在壓實過程中應嚴格控制含水率，盡可能通過各類措施降低其含水率，使土體含水率保持在最佳含水率附近。

3)過濕黃土路基的沉降變形范圍集中在路基頂面2 m深度范圍內，并且路基中間部分的變形要大于路基兩側。實際工程中應當采取合理有效的措施對過濕黃土路基進行加固處治。

6 工程建議

綜合目前國內外對于黃土路基的常見處治加固措施[11-15]及本文的研究成果，提出黃渭高速公路過濕黃土路基的處治工程建議：

1)含水率對過濕黃土路基的影響較大，故設置完善的排水設施是過濕黃土路基穩定性的保證。實際工程中應在施工期做好地表臨時排水，增設橫向排水設施，并且降低地下水位的對路基的影響。

2)過濕黃土地基應采取合理的措施加速黃土的固結，如振動壓實或堆載預壓等。當路基含水率較高或者土方量較小時可采用墊層換填的方法進行處治。

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ResearchonOver-wetLoessSubgradeDeformationCharacteristicsofHuangweiHighway

XU Kui, WANG Zhifeng

(AnhuiTransportConsulting&DesignInstituteCo.,Ltd,Hefei230088,China)

The over-wet loess has obvious compressibility and collapsibility. It is low shear strength and poor mechanical properties, so in the weight stress and vehicle load under the action of the cycle will produce significant plastic deformation. Combined with the characteristics of over-wet loess of Huangwei Highway, we had adopted ABAQUS finite element software to study on the strain and displacement of over-wet loess subgrade (compaction degree in 0.87 ～ 0.94, the moisture content within 18% ～ 22%). The results showed that the deformation of the overcritical loess roadbed is concentrated within the depth of 2 meters of the roadbed, and the position of the top of the roadbed decrease with the increase of the degree of compaction. But when the compaction is too high, the effect is gradually reduced. With the increase of water content the settlement deformation of subgrade will increase significantly. So the actual engineering should be combined with the nature of the foundation soil and site conditions, to take a reasonable treatment and reinforcement.

over-wet loess subgrade; compactness; moisture content; deformation characteristics; treatment reinforcement

U43

A

1009-9735(2017)05-0137-04

2017-09-04

許魁(1981-)，男，高級工程師，碩士，研究方向：公路勘察設計。