许 魁，王志峰

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

黄渭高速公路过湿黄土路基变形特性分析

许 魁，王志峰

(安徽省交通规划设计研究总院股份有限公司，安徽 合肥 230088)

过湿黄土具有明显的压缩性和湿陷性，其抗剪强度低，力学性质差，相对于一般黄土，过湿黄土在自重应力和车辆荷载的循环作用下会产生更明显的塑性变形。结合黄渭高速公路过湿黄土特性，采用ABAQUS有限元软件对过湿黄土路基压实度在0.87～0.94、含水率在18%～22%内的应变及位移规律进行研究。结果表明：过湿黄土路基变形集中在路基顶面2 m深度范围内，中心线不同深度及路基顶面各位置随着压实度的增加而减少，但当压实度过高时，影响效果逐渐减小；并且随着含水率的增加，路基的沉降变形会显著增大。实际工程在黄土场地填筑路基时，应关注黄土的含水率，并结合地基土性质和场地条件，对过湿黄土地基采取合理的处治加固。

过湿黄土路基；压实度；含水率；变形特性；处治加固

在国家“西部大开发”及“一带一路”的发展战略下，西部黄土地区公路网建设进一步加快。随着黄土路基公路的建设，黄土路基病害逐步显现，其中过湿黄土路基引起的公路病害尤为严重。过湿黄土由于其特殊的压缩变形特征和湿陷性变形特征，如作为填筑路基时处理不当，会极大地影响公路的质量，甚至引起路基沉陷等病害，最终导致公路的损毁[1-4]。

目前多数学者们对黄土路基变形沉降有了一定的研究，集中在黄土自身特性和黄土路基变形两个方面，主要采用非饱和土固结理论[5-7]。胡再强、翁效林及袁克阔等学者研究表明黄土中若含有一定量的自由水时，其压缩性和湿陷性较干燥的黄土显著，而含水率较高的过湿黄土在车辆荷载、自重荷载及工程扰动下的变形更为明显[8-10]。综合国内外大量黄土地区路基的病害特征，过湿黄土路基地段的病害成因主要集中在两个方面：

(1)对过湿黄土物理力学性质认识不到位：在设计阶段未能全面考虑过湿黄土的受力与变形特性；使得设计模型和实际路基情况差距较大。

(2)过湿黄土处理不合理：未能采取有效的处治措施对过湿黄土路基进行加固，导致运营阶段路基病害屡见不鲜。因此在过湿黄土路基段，有必要对路基的变形特性进行研究，以保证路基在运营中的稳定性。

1 工程概况

过湿黄土是指含水率在20%左右，饱和度大于60%的高塑限黄土，相对于一般黄土，过湿黄土在自重应力和车辆荷载的循环作用下更易发生排水固结沉降和蠕变，在路基施工阶段和路面前期运营阶段对路基的稳定性造成不可忽视的影响。

黄渭高速公路地处黄土高原地带，全线路基主要以黄土为主，其中30%的路线内分布着含水率高于18%的过湿黄土，主要成分是粒径小于0.25 mm的粉质粘土，一般粉土含量约占总颗粒质量的60%以上。K18+700断面黄土路基如图1所示。

图1 黄渭高速K18+700断面过湿黄土路基

通过黄土侧限压缩试验和双线湿陷试验表明，这类土具有明显的压缩性和湿陷性特征，故过湿黄土的过湿特性研究及处治成为项目建设的关键。

2 有限元模型

2.1 模型建立

采用ABAQUS软件对黄渭高速公路K18+700断面建立有限元模型，模型简化如图2所示，并采用结构划分的方法对有限元模型进行网格划分，有限元模型如图3所示。过湿黄土为典型的弹塑性体，在ABAQUS有限元分析中将弹塑性体的变形分为弹性变形和塑性变形两个组成部分，为了更好模拟过湿黄土在荷载作用下的孔隙水压力和含水率变化，本模型采取Drucker-Prager屈服准则来表征其力学本构关系。

图2 模型简化图

图3 有限元模型

2.2 参数选取

模型的参数选取采用黄渭高速公路地质勘查报告设计资料，为了计算方便，将路面结构层简化为作用在路基上均布荷载，并采用公路Ⅰ级荷载进行模型计算，路基模型参数见表1。

表1 路基模型参数

2.3 计算工况

(1)研究压实度为0.87，0.90，0.92，0.94时含水率为20%的过湿黄土路基中心线及路基顶面处的竖向应变及竖向位移。

(2)研究含水率为18%，20%，22%时压实度为0.90时的过湿黄土路基中心线及路基顶面处的竖向应变及竖向位移。

3 压实度对过湿黄土路基变形特性影响

3.1 过湿黄土路基应变变化规律

不同压实度下过湿黄土路基中心线及路基顶面处的竖向应变的变化规律如图4所示。

图4 不同压实度下过湿黄土路基竖向应变

从图4(a)中可以看出，不同压实度下过湿黄土路基的应变在路基中线深度1 m处达到最大，路基浅层的应变较明显；从图4(b)中可以看出并且在路基顶面处呈现“W”形分布，即行车道内侧的应变较大。并且随着过湿黄土路基压实度的增加，竖向应变不断减少的，譬如压实度为0.87的过湿黄土路基中心点顶面的最大竖向应变量为0.78×10-3，压实度为0.94的过湿黄土路基中心点顶面的最大竖向应变量为0.62×10-3。说明了随着压实度的增加，过湿黄土路基的沉降变形会减少。这主要是由于压实度的增加，黄土结构变得致密，土体颗粒之间的位移减少，内摩擦角增大。可见合理的增大过湿黄土路基压实度可以很好地减少其不均匀变形的发生。

3.2 过湿黄土路基位移变化规律

不同压实度下过湿黄土路基中心线及路基顶面处的竖向位移的变化规律如图5所示。

图5 不同压实度下过湿黄土路基竖向位移

从图5中可以看出，随着压实度的增加，路基竖向位移不断减少的，压实度为0.87的过湿黄土路基中心点顶面的最大竖向位移量为0.785 mm，压实度为0.94的过湿黄土路基中心点顶面的最大竖向应变量为0.545 mm，同比减少了30.0%。说明了随着压实度的增加，过湿黄土路基的沉降变形会显著减少。同时可以发现在压实度为0.87～0.92的范围内压实度影响显著，当压实度高于0.92后，变化幅度0.87～0.92范围内显著。由此可见，应当根据实际需求选用合适的压实度，没有必要追求过高的压实度，影响路基施工经济性。

4 含水率过湿黄土路基变形特性影响

4.1 过湿黄土路基应变变化规律

不同含水率下过湿黄土路基中心线及路基顶面处的竖向应变的变化规律如图6所示。

图6 不同含水率下过湿黄土路基竖向应变

从图6中可以看出，不同含水率下随着过湿黄土路基含水率的增加，竖向应变不断增大的，并且相差较大，如含水率为18%的过湿黄土路基中心点顶面的最大竖向应变量为0.556×10-3，含水率为22%的过湿黄土路基中心点顶面的最大竖向应变量为0.958×10-3，同比增加了37.7%。说明了随着含水率的增加，过湿黄土路基的沉降变形会显著增加。同时，这种竖向应变差异随着深度的增加不断减弱，在过湿黄土路基和地基接触面上基本消失。

4.2 过湿黄土路基位移变化规律

不同含水率下过湿黄土路基中心线及路基顶面处的竖向位移的变化规律如图7所示。

图7 不同含水率下过湿黄土路基竖向位移

从图7中可以看出，不同含水率下随着过湿黄土路基含水率的增加，竖向位移不断增大的，如含水率为18%的过湿黄土路基中心点顶面的最大竖向位移量为0.568 mm，压实度为22%的过湿黄土路基中心点顶面的最大竖向应变量为0.957 mm，同比增加了82.9%。说明了随着含水率的增加，过湿黄土路基的竖向位移会显著增大。这主要是由于含水率的增加黄土结构变得不致密，粘结物质的粘结能力减弱，土体颗粒之间的位移增大，内摩擦角较小。

5 结论

1)过湿黄土路基中心线不同深度及路基顶面各位置的变形随着压实度的增加，路基的沉降变形会减少，但当压实度过高时，影响效果逐渐减小。由此可见，实际工程中应当根据需求考虑工程经济性等选用合适的压实度。

2)过湿黄土路基中心线不同深度及路基顶面各位置的竖向应变与位移受含水率的影响十分明显。随着含水率的增加，路基的沉降变形会显著增大。可见过湿黄土路基在压实过程中应严格控制含水率，尽可能通过各类措施降低其含水率，使土体含水率保持在最佳含水率附近。

3)过湿黄土路基的沉降变形范围集中在路基顶面2 m深度范围内，并且路基中间部分的变形要大于路基两侧。实际工程中应当采取合理有效的措施对过湿黄土路基进行加固处治。

6 工程建议

综合目前国内外对于黄土路基的常见处治加固措施[11-15]及本文的研究成果，提出黄渭高速公路过湿黄土路基的处治工程建议：

1)含水率对过湿黄土路基的影响较大，故设置完善的排水设施是过湿黄土路基稳定性的保证。实际工程中应在施工期做好地表临时排水，增设横向排水设施，并且降低地下水位的对路基的影响。

2)过湿黄土地基应采取合理的措施加速黄土的固结，如振动压实或堆载预压等。当路基含水率较高或者土方量较小时可采用垫层换填的方法进行处治。

[1]王东亮.黄土路基病害原因浅析[J].石家庄铁道大学学报(自然科学版)，2013，26(S1)：47-50.

[2]薛鹏.黄土地区公路路基病害与防治的研究[D].西安：长安大学(硕士学位论文)，2015.

[3]惠琳.湿陷性黄土路基常见病害及处治[J].山西建筑，2014，40(30)：153-154.

[4]苏建林.湿陷性黄土路基病害的调查分析[J].路基工程，2005(6)：99-101.

[5]胡再强，张耀，岳文青，等.酸性环境下黄土湿陷性试验与湿陷敏感性研究[J].岩石力学与工程学报，2017，36(7)：1748-1756.

[6]翁效林，王玮，刘保健.湿陷性黄土拓宽路基变形特性及强夯法处治效应模型试验[J].中国公路学报，2011(2)：17-22.

[7]袁克阔，党进谦，卓莉.黄土路基CBR值影响因素研究[J].路基工程，2009(6)：125-127.

[8]高越.某湿陷性黄土路基物理力学性质与处理方法分析[A].中国地质学会工程地质专业委员会.2015年全国工程地质学术年会论文集[C].中国地质学会工程地质专业委员会，2015.

[9]张志潼.黄土路基振陷性试验研究[J].路基工程，2013(4)：130-133，139.

[10]李旭瑞，王世杰，彭文逵，等.黄土路基质量可靠度分析[J].中外公路，2014(5)：33-36.

[11]黄涛，韩秋石.湿陷性黄土工程特性及路基病害防治措施[J].四川理工学院学报(自然科学版)，2013，26(6)：56-59.

[12]赵斌.石灰改良非失陷性过湿黄土施工[J].科技视界，2015(19)：253-253.

[13]乔明利，陆飞.强夯法处理公路过湿黄土路基机理及适宜性探讨[J].公路，2013(1)：200-202.

[14]来文森.临合高速湿陷性黄土路基填筑技术[J].公路交通科技(应用技术版)，2015，11(6)：31-32，105.

[15]曲跃平.青兰高速公路路基沉陷治理措施[J].路基工程，2013(2)：192-195.

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

许魁(1981-)，男，高级工程师，硕士，研究方向：公路勘察设计。