改性前后高液限粘土填筑路堤变形特性分析

2015-10-16於文超

黑龙江交通科技 2015年4期

於文超

(江苏博创工程设计院有限公司)

长深高速G25河源段所经区域的不良路基主要为高液限粘土(弱～中等膨胀性)，其大部分位于挖方路堑地段，高液限粘土的强度较低，很难达到规范的强度(CBR值)要求，不能直接做为路堤填料。在勘察阶段发现沿线没有合适的可直接用于路堤填筑的土体，设计时不得不用沿线的高液限粘土来填筑路堤，但其含水量高，路基压实度难以保证，特别是路床部分的弯沉指标更难以满足要求。因此，对高液限粘土路基改性前和改性后的变形特性与填筑效果进行计算是必要的。

1 模型构建

根据高液限粘土路基的实际情况，选取路堤上部宽12.25 m，填土高度6 m，边坡坡度1∶1.5;地基计算深度为2倍的路堤高度，即12 m;地基计算宽度为2倍的路堤底面宽度，即85 m。由于几何实体及受力模式沿中央隔离带对称分布，计算时选取几何实体的一半，即半幅路基进行建模，计算中采用平面应变问题求解。由于计算重点是高液限粘土填筑对路基沉降变形的影响，所以对表层土体单元网格加密，以提高计算精度。计算几何模型见图1。

图1 计算几何模型

荷载分为内部荷载(自重)和外部荷载(路面结构重及行车荷载)。路堤填筑完成后，自重引起的变形绝大部分已完成，剩余的蠕变变形可忽略不计。计算时只考虑外部荷载引起的变形。根据粤交基［2003］882号初步设计对路面结构的要求，其结构参数如表1所示。

表1 路面结构形式

2 变形特性分析

2.1 改性前路堤的变形特性

高液限粘土改性前，路堤土压缩模量分别取4 MPa、6 MPa、8 MPa、10 MPa 和 12 MPa。路堤土的其他参数为:粘聚力C=50 kPa、内摩擦角φ=18°;路基土的参数为:压缩模量E=14 MPa、泊松比μ=0.25、粘聚力C=34 kPa、内摩擦角φ=19°。图2、图3是高液限粘土改性前竖向位移和水平位移的等值矢量云图。

图2 路堤土竖向位移等值线图

图3 路堤土水平位移等值线图

在荷载作用下，高液限粘土路堤的竖向变形随路堤深度的增加而减小，在路堤中线处变形最大，路肩及坡面处竖向变形逐渐减小，坡脚以外地表处几乎不发生竖向变形。高液限粘土路堤水平位移的最大值出现在路肩处，路基的水平位移随路基深度增加而增加，但到达一定值后，又随路基深度增加而减小。

从图4中可以看出，沉降值由路堤中线向两侧逐渐减小，路堤中线处沉降值最大，坡脚以外地表处沉降值几乎为零。压缩模量的变化对路堤顶面的影响最大，当压缩模量由4 MPa增至12 MPa时，路堤中线处的沉降由22.2 cm减小至14.6 cm，前者变形比后者变形大52%。这说明通过增大路堤填土压缩模量的方法可以明显减小路堤沉降，提高路堤的强度和稳定性。图中的负号表示土体在荷载作用下产生沉降，向下运动。

从图5可以看出，在坡脚处沿地基深度方向，随着深度的增加，地基土水平位移的数值先逐渐增大，在距坡脚4.5 m左右处达到最大值，然后逐渐减小，在距坡脚12 m左右处不发生水平位移。随着路堤土压缩模量的增大，地基水平位移略有增大，如E=4 MPa时，地基水平位移最大值为1.39 cm，E=12 MPa时，地基土水平位移最大值为1.47 cm。这表明在荷载作用下，随着路堤刚度的增加，荷载对地基的影响变小。图5的负号表示地基深度，距坡脚的距离。

图4 压缩模量对路堤顶面、坡面及地表沉降的影响

图5 压缩模量对坡脚处地基的水平位移影响

2.2 改性后路堤的变形特性

改性后高液限粘土路堤土压缩模量分别取16 MPa、18 MPa、20 MPa、22 MPa 和24 MPa，路堤土的其他参数为:粘聚力C=150 kPa、内摩擦角φ=30°。图6、图7是高液限粘土改性后压缩模量对路堤顶面、坡面及地表的沉降和坡脚处地基水平位移的影响曲线。

图6 压缩模量对路堤顶面、坡面及地表沉降的影响

从图6中可以看出，改性后高液限粘土路堤的压缩模量由16 MPa增至24 MPa时，路中线处沉降值由13.6 cm减小至12.7 cm，这说明改性后高液限粘土路堤的压缩模量达到16 MPa时即可满足工程要求，通过提高改性后高液限粘土压缩模量来减小路堤沉降的方法并不明智。与图4对比可以看出，改性后高液限粘土路堤沉降明显减小，例如改性前路堤中线最大沉降为22.2 cm;改性后路堤中线沉降最大值为13.6 cm。