浸水斜坡软基沉降演化规律分析

郭锦霞，赵国智

（山西省水利建筑工程局有限公司,山西 太原 030006）

1 引言

路基不均匀沉降通常会导致路面纵横向开裂、路基失稳等病害,在工程建设中越来越受到研究者的关注。郑治[1]通过调查和分析西部地区高填方路堤沉降病害得出路基填筑过程中及工后所产生的不均匀沉降是路面结构破坏的主要原因之一。钱家欢[2]等提出路基的不均匀沉降将对路面结构层产生附加应力,使路面结构产生裂缝,容易引起路面结构的早期破坏。任超[3]等基于黏聚带的扩展有限元的数值模拟分析揭示了沥青路面结构在不均匀沉降下的表面裂缝和反射裂缝的宏观演化过程。王新岐[4]等基于现有资料建立的软基上露面结构应力分析模型,计算分析得出：软基不均匀沉降是引起基层和面层开裂的主要原因。张必胜[5]采用数值分析方法对福建省软土地区典型的倒装路面结构进行计算分析,提出了路基双侧拼宽下倒装路面结构的最大差异工后沉降控制标准。黄永强[6]等采用ANSYS 软件建立沥青混凝土路面结构对路基横向不均匀沉降力学响应的有限元模型,研究得出：不均匀沉降对路面结构（分层厚度、模量）的应力具有显著影响。刘蓓[7]采用ANSYS 软件建立路面结构分析模型,研究表明：局部的应力集中是造成路面结构破坏的直接原因。王大鹏[8]等提出了一种水泥混凝土路面有限元计算模型。根据模型计算结果发现：碎石层具有减小路面结构附加应力（由差异沉降产生）的作用。

由上可知,改善路面结构参数有利于减少路基不均匀沉降,但对浸水斜坡软基沉降演化规律研究较少。因而,本文采用数值分析方法,开展浸水斜坡软基沉降分析,探索该特殊路基环境下的沉降演化规律,以便于对水利工程设计和施工提供借鉴参考。

2 工程概况

某水利工程临时道路穿过斜坡软基路段,路基面宽度18 m,填方路堤平均高度4 m,路堤边坡坡比为1∶3。地基土自上而下分别为泥炭（平均厚度6 m）和黏土（平均厚度14 m）,路堤填土为砂土,路面结构自上而下分别为沥青玛蹄脂SMA（厚度4 cm）、沥青混凝土AC20（厚度6 cm）、沥青稳定碎石ATB（厚度24 cm）、级配碎石GM（厚度15 cm）、水泥稳定碎石CTB（厚度20 cm）。考虑到该路段地基特殊性,现通过数值模拟手段探索该路段沉降演化规律,为后期工程设计和施工提供参考。

3 模型建立

考虑到临时道路路基的特殊性,取全断面分析,同时视为平面应变问题。经过试算,数值模型中地基宽度取为80 m,平均深度为20 m,地面坡度为1∶10,以尽量避免、削减边界条件的影响。地下水位线处于地面最低处。假设模型中深部的砂土层不会出现变形。因此,模型不包括这一砂土层,取而代之的是使用一个固定边界。模型见图1。

图1 数值模型（单位：m）

材料参数见表1、表2。采用15 节点高精度三角形单元的离散模型。在初始条件中,设置水容重为10 kN/m3。水压力完全是静态的,基于一条通过点（-40,-4）和（40,4）的一般水位线。固结分析的边界条件,在没有任何附加输入的情况下,所有边界都是排水的。因此,水可以通过任何边界流出,超静水压可以在各个方向上消散。但是,本模型左侧和右侧竖直边界上没有自由水流流出,因而必须关闭。上部边界显然是透水的,软土层的超静水压可以渗流到下卧的透水砂土层中（没有包括在模型中）,故底部边界应是透水的。

表1 路面材料参数

表2 路堤填土和地基土的材料参数

4 浸水斜坡软基沉降分析

4.1 浸水斜坡软基面及坡脚点沉降分析

图2为浸水斜坡软基面沉降演化规律。由图（a）～（d）可知,随着上部结构填筑高度增加,软基面沉降不断增大且最大沉降不再位于路面中心处,而是均向左（坡底侧）偏移。

图2 浸水斜坡软基面沉降

图3（a）为坡脚点A 和B 在X 方向的位移变化图,图中A 和B 点的位移变化方向一致,均沿着坡度下降的方向,且A 点的位移明显大于B 点。图（b）为坡脚点A 和B 在Y 方向的位移变化图,图中A 和B 点的位移变化方向不同,由于软基面的倾斜坡脚点A 起初会微微隆起,后又逐渐沉降；B点在荷载的作用下位移方向不改变,在施工期的位移变化曲线较陡。图（c）可以看出,坡脚点A 和B 的不均匀沉降在路基填筑后为0.37 m,上部结构填筑后为0.85 m,15 年工后达到

图3 坡脚点不均匀沉降

1.64 m,变化趋势逐渐增大,后又趋于平缓,其中83.1%的差异沉降发生在施工期。综上可知,施工期A 点和B 点由于受地面坡度（1∶10）影响,其变形均与浸水斜坡软基路堤的自稳性有较大关系。B 点最终沉降大于A 点,是浸水斜坡软基路堤自稳调整的结果。

4.2 上部结构及填筑关键点沉降分析

由图4（a）可知路面会产生工后不均匀沉降,最大的工后沉降差为150 mm,该值大于张必胜[5]提出的最大差异工后沉降控制标准5 mm,且现有研究资料已经表明,路面的差异沉降会影响其使用寿命和性能,甚至危及行车安全,因此,工后差异沉降在实际工程中应予以重视。图（b）为路面点C、D 和E在X 方向的位移变化,其中C 点的位移变化方向不同。图（c）为路面点C、D 和E 在Y 方向的位移变化,位移变化方向一致。

图4 路面不均匀沉降

5 结论

（1）浸水斜坡软基面沉降随填筑高度增加而增大,且受斜坡影响两侧坡脚点差异沉降明显。

（2）浸水斜坡软基上部结构沉降随填筑高度增加而增大,施工期沉降速率及沉降量均明显大于工后。

（3）浸水斜坡软基上路面最大沉降中心受斜坡影响向左（坡底侧）偏移。斜坡地基沉降分布规律明显不同于平坦地基,实际工程设计中应予以重视。