深厚淤泥路基填筑及对周边环境影响的数值分析

徐媛媛

（福建省建筑科学研究院，福建福州　350025；福建省绿色建筑技术重点实验室，福建福州　350025）

深厚淤泥路基填筑及对周边环境影响的数值分析

徐媛媛

（福建省建筑科学研究院，福建福州350025；福建省绿色建筑技术重点实验室，福建福州350025）

淤泥具有低渗透、高含水、高压缩等特点，以此为基础的路基在填筑时需对淤泥层进行处理以达到工程安全和使用的要求.某区中央大道为深厚淤泥路基，填筑时采用“碎石桩+超载预压”的方法对深厚淤泥层进行处理.利用数值模拟的方法，计算分析该路基填筑及后期运营时的沉降及其对周边环境影响的范围及程度，针对现场调查和计算结果给出深厚淤泥路基的加固措施及计算建议.对于深厚淤泥路基填筑所采用的计算分析方法可为类似工程设计提供参考.

深厚淤泥路基；路基填筑；路基沉降；数值模拟

【引用格式】徐媛媛.深厚淤泥路基填筑及对周边环境影响的数值分析［J］.北华大学学报（自然科学版），2016，17（3）:390-396.

公路路面整体的强度和刚度决定于路基强度和变形的特征，路基填筑必然引起下部土体的振动，从而造成土体内孔隙压缩、侧向排挤以及排水固结等现象，进而造成土体结构错位、路基沉降、路基塌陷等问题.由于软土具有含水量、孔隙比大，抗剪强度、渗透性低，压缩性、灵敏性高等特征，对于淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等软土地区，这些问题更为突出，软土地段路基填筑沉降处理也更为棘手.路基沉降不仅是学术研究的难点，亦是高速公路工程建设中不容忽视的问题.

目前，路基沉降计算的主要方法大致有三类:一是理论公式法.利用经典土力学并引入相应的假定通过较少的参数对沉降进行计算，如分层总和法；二是数值分析法.根据固结理论及各种土体的本构模型通过计算机进行模拟计算，比如有限单元法；三是通过观测资料的回归分析，利用曲线拟合等各种方法分析沉降监测数据，从而进行沉降预测，这种方法需要的数据量大.由于数值方法可以对路基填筑过程中内外部环境进行模拟，比较全面地考虑了土体变形特征和各种边界条件，计算结果较精确，因而得到了越来越广泛的应用.本次研究针对某道路深厚层淤泥路基，利用有限单元法对填筑过程进行模拟及计算，以得到最终沉降量，分析路基沉降对于周边环境的影响.

1　工程概况及模型构建

某区中央大道道路工程全长2 774.82m，道路幅宽50m，反压护坡宽度10m，填方路堤边坡坡比为1 ∶1.5，挖方边坡1∶1，路基外侧设边沟，用以排除路基水，见图1.路基填料采用山皮石、砂及砂性黏土.该道路工程场地原地貌属海积滩涂区，地势平坦开阔，经围垦后改造成人工养殖场，路轴线及周边主要分布鱼塘、河道等，见图2.场地34.7m深度范围内自上而下划分为土、淤泥、中粗砂和卵石等4个工程地质层.淤泥土层厚度大且深浅不一，最大淤泥层厚达33m，容许承载力60 kPa，具有孔隙比大、含水量高、强度低等特征，其工程地质条件不能满足路基强度及沉降的要求.对于淤泥层厚度大于3m地段进行碎石桩超载预压处理，处理深度15m，正方形布置，桩间距为2.5m，桩径为0.5m.

道路标段K0+0—360西侧分布大量的房屋，路基填筑对其影响的范围及程度值得关注.施工前，采用有限元数值方法模拟了路基填筑的过程，预估路基填筑和道路后期运营对周边影响的范围及其程度.根据路基填筑的高度和房屋分布的区域大小选取K0+45为标准计算断面，该断面所在区域的道路平均填筑高度为4m，最远房屋距离道路路面中心160m，其平面位置见图2.

在有限元软件中建立计算模型（图3），模型宽182m，考虑了包括路基填土层在内34m深度范围内的6个工程地质层，用复合地基等效替代碎石桩，路基顶部向下分别为1.3m厚砂质黏土、1.0m厚抛石填土，接着铺设50 cm厚的碎石垫层以及双向土工格栅，随后是1.2m厚抛石层、15m厚桩土复合地基、25m厚淤泥层、3.5m厚中粗砂层、1.5m厚卵石层.网格的基本单元类型为15节点的三角形单元，模型的网格划分见图4所示.

2　岩土参数及计算工况

分别对填筑和施加交通荷载两个阶段进行计算.填筑阶段，路基的填筑速率为10 cm/d，一期填筑27 d，预压240 d，二期填筑13 d，最后计算至固结稳定.路基施工过程简化为两次填筑进行模拟，一期填筑为下路堤填筑阶段，包括填筑1.2m抛石、0.5m碎石垫层，铺设土工格栅，填筑1m抛石形成护坡；二期填筑为上路堤填筑阶段，在一期填筑完成后预压8个月（每月按30 d计）后再回填至设计高程.

在交通荷载阶段，用动荷载模拟车辆对路面及路基的作用，参考《公路工程技术标准》，用于计算的动荷载峰值为10 kPa，周期为10 s（图5）.计算时，施加动力5 s，自由振动5 s.考虑最不利情况，交通荷载采用路面满铺方式布置.

计算时将碎石桩和桩间土视作复合地基进行处理，按式（1）～（3）计算并得到复合地基的岩土参数:

其中:cs，cp为桩间土和桩体的内聚力；φs，φp为桩间土和桩体的内摩擦角；m为复合地基置换率；Ap为桩体面积；A为对应的加固面积.

路基土体固结，土体内孔隙水被排除，土体被压密，一期和二期填筑固结完成后土体参数较之前有所提高.计算时的相关物理力学参数见表1和表2.

表1　各土层物理力学参数Tab.1　Physical and mechanical parameters of the soil

表2　淤泥和复合地基不同计算阶段的物理力学参数Tab.2　Physical and mechanical parameters of sludge and composite foundation in different stages

3　计算结果与分析

3.1超静孔压及应力分析

由图6可知:填筑阶段，随着加载的进行，地基土的超静孔压逐渐增加；随着填筑结束和时间的推移，地基土中的孔隙水逐渐排除，超静空隙水压力逐步接近完全消散，速率逐渐降低，此时固结过程尚未完全完成；随时间的推移孔隙水压减小达到稳定状态，此时地基固结完成.路基固结稳定需要大约500 d.

初始状态应力呈水平层状分布（图7），应力值随深度的增加逐渐提高.填筑后，应力总体上仍呈水平层状分布，复合地基下部区域出现应力增大现象（图8～9）；随着与路基中心距离的增加，填筑引起的应力变化逐渐降低；填筑后应力值较初始状态有所增加，二期填筑较一期填筑应力有所增加；施加交通荷载后，应力分布变化不大（图10），与填筑后的结果相比，增加不明显.

3.2路基总体沉降分析

由图11～13的对比可以看出:路基填筑后发生沉降，随着深度的增加，沉降逐渐减小；两侧地表沉降较小，下路堤表面沉降最大；沉降值随着时间逐渐累积增大；一期填筑后，随着土体的固结，沉降差逐渐减小，二期沉降值较一期填筑后有所减小；施加交通荷载后，沉降值增加较小，可见在土体固结完成稳定后，随着时间的推移，交通荷载对路基的影响也在逐渐减小.

3.3截面沉降分析

为了系统归纳分析各区域变形情况，数值模拟时选取路基中心纵截面A-A'，路面水平位置横截面B-B'，地面水平位置横截面C-C'3个剖面进行沉降分析.3个截面的位置见图14，沉降曲线见图15～17.

由图15可以看出:路基的沉降与深度相关，深度越大，沉降越小，最大沉降在路面位置交通荷载阶段较填筑阶段沉降值有所增加.由图16可知:路面沉降与距离路面中心的位置相关，距离越远，沉降越小，路面存在不均匀的沉降现象.填筑阶段结束后，路面中心总沉降值最大为63.23 cm，路面边缘总沉降值最小为50.15 cm，两处沉降差为13.08 cm；施加交通荷载后，总沉降有所增加，路面中心总沉降值为70.30 cm，路面边缘总沉降值为56.24 cm，两处沉降差为13.06 cm.

由图17可知:填筑阶段，地面沉降值与路面的水平距离相关，距离路面中心越远，沉降值逐渐减小.距离路面中心50m处开始出现隆起，隆起最大值为4.6 cm，随着距离的增大，隆起慢慢减弱.距离路面中心45～65 m范围为倾斜区域，倾斜值最大为9.98‰，超出规范允许值（3‰）；距离路面中心65～90m范围为隆起区域，倾斜率为0.78‰，符合《建筑地基基础设计规范》在高压缩土地区对砌体承重结构基础变形局部倾斜的要求.交通荷载阶段，地面沉降部分的沉降值较填筑阶段有所增加，距离路面中心55m处出现隆起，隆起的范围和隆起的数值较填筑阶段都有所减小；距离路面中心45～65m范围为倾斜区域，倾斜值最大为5.5‰，超出规范允许值（3‰）；距离路面中心65～90m范围为隆起区域，倾斜率几乎为零，符合规范要求.

3.4监测点沉降分析

计算时设置了监测点以便监测土体在固结过程和施加交通荷载过程的变化情况.路基部分监测点包括路面中心监测点A、上路堤坡脚B、下路堤坡脚C，地面位置监测点包括D，E，F，G，H等5个重要监测点，分别位于距离路面中心40，50，60，70，90m处，见图18.计算后绘制这两部分监测点的沉降时程曲线，分别见图19、图20.其中，监测点A，B的沉降时程曲线为累计沉降，从施工的第267天开始进行上路堤的填筑.

填筑阶段监测点A，B，C的沉降时程曲线见图19（正号表示隆起，负号表示沉降）.由图19可以看出:随着填筑的进行，荷载不断增大，土体中的孔隙水逐渐排出，监测点A，B的沉降呈线性增加；填筑结束荷载不再增加，土体固结尚未完成，监测点的沉降随时间的推移继续增加，但沉降速率减小；随着时间的增加，大约50 0 d路基沉降趋于稳定.监测点C位于下路堤坡脚处，一次填筑阶段，土体在不断增加的荷载作用下固结，沉降呈线性增长.填筑结束后，荷载不再增加，土体继续固结，沉降速率降低，沉降趋于稳定；随着二次填筑的进行，土体再次受到荷载作用，沉降迅速增大，因为一次填筑时土体受压固结，土体已经压密，所以二次填筑后可以看到C点沉降的增大速率明显低于一次填筑.同样，随着时间的推移，500 d时C点的沉降已经完全稳定，说明路基土体已经完成固结.

由图20可以看出:在施加交通荷载阶段，0～2.5 s荷载由0加至峰值10 kPa，监测点A，B，C 3点的沉降值不断增大；2.5～5 s荷载逐渐减小到0，沉降持续增加，但是沉降增加速率较前阶段明显变缓；停止施加荷载，沉降逐渐减小并趋于稳定.在施加交通荷载的过程中，路面沉降始终是点A大于点B大于点C，监测变化幅度也是点A大于点B大于点C.由此可见，当与加载区域的距离逐渐增加时，由于能量向四周扩散，位移响应逐渐降低，而且随着时间的延续，位移响应逐渐趋于稳定.

由图21可以看出:由于监测点D距离路基较近，发生沉降，而监测点E～H位移为正值，该点所在区域发生隆起.一期填筑时，荷载增加，沉降迅速增加；填筑结束后，沉降增加逐渐变缓；二次填筑阶段，地面土体受挤压发生隆起，点D体现为沉降值减少，点E～H表现为隆起值迅速增加.随着填筑的结束，地基土持续固结，点D的沉降量有所增加并逐步变化到稳定状态，而点E～H隆起值逐步降低至稳定.点F的隆起最大，点G次之，H最小，结合各点的位置可知，随着距离路面中心距离的增加，隆起先增大后减小.

在交通荷载阶段，0～2.5 s荷载由0加至峰值10 kPa，监测点D～H 5点的位移值不断增大；2.5～5 s荷载逐渐减小到0，位移持续增加，但是位移增加速率较前阶段明显变缓；停止施加荷载，位移逐渐减低并趋于稳定.同样，距离加载区域越远，受交通荷载的影响越小.

4　结论与建议

1）路基的应力呈水平层状分布，随着填筑的进行，路基的应力会增大，路面下方复合地基部位会出现局部的应力增大；路基填筑完成且固结稳定后，施加交通荷载，路基应力变化不明显，交通荷载对路基的应力扰动较小.

2）路基的沉降与深度相关，深度越大，沉降越小，最大沉降在路面位置.填筑阶段沉降变化大，沉降值持续增加；固结稳定后，交通荷载会引起路基沉降，但是影响不大.

3）由于淤泥天然含水量高、压缩性大，土体在固结排水的过程中会发生沉降.淤泥具有流动性，受到两侧固定边界的影响，土体局部会发生隆起，距离路面中心41～65m范围内倾斜率较大，超出规范要求，需要进一步监测，必要时要采取适当的加固措施；距离路面65～90m范围内，地面隆起，倾斜几乎为零，路基填筑和运营对该区域影响较小.

4）本文将碎石桩及桩间土视作复合地基进行计算，对于桩及桩间土的相互作用研究不足.尚可对桩体进行模拟，以便得到更精确的结论.同时，为了方便计算，对施工过程进行了一定程度的简化，分为一次填筑、二次填筑及交通荷载等3个阶段进行分析，尚可对施工过程进行进一步的细化分析.

5）本次研究提供了一种关于深厚淤泥路基处理、填筑以及道路后期运营的计算模拟方法，可为类似的工程研究提供参考.通过数值模拟计算，对淤泥路基填筑过程中对周边环境的影响范围和影响程度做出了预估和评价，对实际工程施工具有指导意义.

［1］张永宏，孙治育，王志华，等.低渗透性深厚淤泥路基超载预压处理技术研究［J］.公路交通科技（应用技术版），2013 （3）:129-132.

［2］马南飞.高速公路软土路基沉降规律监测及FLAC模拟［J］.西安科技大学学报，2007，27（2）:251-254.

［3］董汉刚，胡建军.高速公路软土路基沉降机理及计算方法［J］.岩土力学，2002，23（增刊）:96-98，102.

［4］薛祥，宋连亮，贾亮，等.高速公路软土路基工后沉降预测的新方法［J］.岩土工程学报，2011，33（增刊1）:125-130.

［5］吴俊，陈开圣，龙万学.高填方路基沉降变形有限元数值模拟［J］.公路工程，2009，34（2）:27-29，33.

［6］付宏渊.路基沉降计算影响因素及预测方法研究［J］.中外公路，2007，27（5）:53-55.

［7］吴立坚，郑甲佳，邓捷.高液限土路基的沉降变形规律［J］.岩土力学，2013，34（增刊2）:351-355.

［8］韩相超，吕远强.内蒙古黄旗海湿地软土路基的沉降规律分析［J］.中国地质灾害与防治学报，2013，24（1）:75-78.

［9］龚晓南.地基处理手册［M］.3版.北京:中国建筑工业出版社，2008.

【责任编辑：郭伟】

Numerical Analysis on Deep Sludge Subgrade Filling and Its Impact on Surrounding Environment

Xu Yuanyuan
（Fujian Academy of Building Research，Fuzhou 350025，China；Fujian Provincial Key Laboratory of Green Building Technology，Fuzhou 350025，China）

Sludge has the characteristics of low permeability，high property and high compressibility. When the deep sludge taken as subgrade，it has to be treated in order to meet the requirements of the safety and use of the engineering. The subgrade of the main street in a district is the deep sludge，the gravel pile and the surcharge preloading is taken to deal with the deep sludge during the roadbed construction. The method of numerical simulation and analysis is used to calculate and analyze the settling of the subgrade filling and its effect on the surrounding environment. Finally，based on the field investigations and the results of calculation，some reinforcements of the deep sludge subgrade filling and the advice of the numerical simulation are introduced . The methods of calculation and analysis used in this paper can provide a reference for other engineering of the deep sludge subgrade filling.

deep sludge subgrade；subgrade filling；subgrade settling；numerical simulation

U416.1

A

1009-4822（2016）03-0390-07

10.11713/j.issn.1009-4822.2016.03.026

2016-01-08

福建省科技计划重点项目（2012Y0020）.

徐媛媛（1989-），女，硕士，助理工程师，主要从事边坡、基坑等的计算支护、岩体结构研究，E-mail:jelly89124@sina.com.