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第３１卷第２期 合肥工业大学学报（自然科学版） Ｖｏ１．３１ Ｎｏ．２ ２００８年２月 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＨＥＦＥＩ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｆｅｂ．２００８ 软土路基上路堤填筑方法的对比分析 刘金龙 ， 陈陆望 ， 刘洁群。 （１．合肥学院建筑工程系，安徽合肥２３００２２；２．合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥２３０００９；３．中国科学院安徽光学精 密机械研究所，安徽合肥２３００３１） 摘要：基于非线性有限元方法，针对路堤一次性填筑和分阶段填筑过程中路基的变形与破坏机理进行了考 察。对比分析表明，当路堤填筑至设计高度时，分阶段填筑得到的竖向沉降比一次性填筑的相应值要大，路 堤坡趾外的地面隆起变小，路基侧向位移也变小，且一次性填筑过程中的最小安全系数小于分阶段填筑过 程中的相应值；因此，分阶段填筑有利于加快路基的沉降和提高路堤的稳定性，建议实际工程尽可能的采用 该方法进行施工。 关键词：非线性有限元；路堤；软土路基；填筑方法；分阶段填筑 中图分类号：ＴＵ ４５２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３－５０６０（２００８）０２—０２２９—０５ Ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ｈｉｇｈｗａｙ ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ ｏｎ ＳＯｆｔ ｓｏｉｌ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ＬＩＵ Ｊｉｎ—ｌｏｎｇ ， ＣＨＥＮ Ｌｕ—ｗａｎｇ。，ＬＩＵ Ｊｉ－ｅｑｕｎ。 （１．Ｄｅｐｔ．ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３００２２，Ｃｈｉｎａ ２．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，Ｈｅｆｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｄｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ ２３０００９，Ｃｈｉｎａ ３．ＡｎｈｕｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐｔｉｃｓ ａｎｄＦｉｎｅＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄａｒｎｙ ｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ，Ｈｅｆｅｉ ２３００３１，Ｃ￣ｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｏｆ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｅｃｈａ— ｎｉｓｍ ｏｆ ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｏｎｅ－ｏｆｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔａｇｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ａｒｅ ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｉｔ ｉｓ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｂｅｃｏｍｅｓ ｌａｇｅｒ，ｔｈｅ ｂｕｌｇｅ ａｔ ｔｈｅ ｔｏｅ ｏｆ ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ ｂｅ— ｃｏｍｅｓ ｌｅｓｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｌａｔｅｒａｌ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｂｅｃｏｍｅｓ ｌｅｓｓ ｗｉｔｈ ｓｔａｇｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅ— ｓｐｏｎｄｉｎｇ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｏｎｅ－ｏｆｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｔ ｔｈｅ ｅｎｄ ｏｆ ｆｉｌｌｉｎｇ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅ ｍｉｎｉｍａｌ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｓａｆｅｔｙ ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｏｎｅ－ｏｆｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｉＳ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｓｔａｇｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ．Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｖｉｒｔｕｅｓ ｏｆ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ ｄｅｇｒｅｅ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｗｉｔｈ ｓｔａｇｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｉｔ ｉｓ ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ ｆｉｌｌｅｄ ｗｉｔｈ ｓｔａｇｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｐｒｅｆｅｒｒｅｄ ａｓ ｍｕｃｈ ａｓ ｐｏｓｓｉｂｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ；ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ；ｓｏｆｔ ｓｏｉｌ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ； ｓｔａｇｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ０引 言 一般地，路堤填筑越快，路基沉降和侧向变形 的发展速率越大，路堤的稳定性也越难得到保证。 软土路基具有含水率高、孔隙比大、抗剪强度 为此，文献［７３规定，当接近或达到极限填土高度 低、压缩系数高、渗透系数小及承载力低等特点， 时，严格控制填土速率，以免由于加载过快而造成 若在路堤填筑过程中加荷控制不当，则可能导致 地基破坏。每填一层，应进行一次监测，控制标准 路基发生过大的变形或失稳，势必影响工程的施 为，路堤中心线地面沉降速率每昼夜不大于１．０ 工进度及增加路基加固处理的费用 卜引。 ｃｍ，坡脚水平位移速率每昼夜不大于０．５ ｃｍ。 收稿日期：２００７—０１—１１ 基金项目；合肥学院引进人才启动基金资助项目（ＲＣ０２７） 作者简介：刘金龙（１９７９一），男，江西宜丰人，博士，合肥学院讲师 维普资讯 http://www.cqvip.com
２３０ 合肥工业大学学报（自然科学版） 第３１卷 因此，为了保证路堤的变形与稳定性满足规 根据地勘资料，地基软土按照土性差异可划 范要求，通常需要对工程的施工方法、施工进度进 分为３个土层，路堤及地基各土层的物理力学参 行对比论证，以确定最佳的填筑方法。通常可对 数见表１所列。地下水位位于距地面１ ｍ。有限 高路堤进行分阶段填筑。分阶段填筑期间的施工 元分析中采用Ｍｏｈｒ—Ｃｏｕｌｏｍｂ破坏准则模拟各 间歇期有利于路基体内超静孔隙水压力的消散及 土层的基本特性，并采用１５节点的三角形单元进 路基土强度的增长，从而提高路堤填筑过程中的 行网格剖分（见图２所示）。由于对称性，在对称 稳定。 轴断面上不发生孔压消散，故有限元计算中应关 为此，本文基于非线性有限元方法，针对源于 闭对称轴处的固结边界，使超静水压力不通过对 工程的抽象模型考察了不同填筑方法中路基的竖 称轴向外扩散。 向沉降、侧向位移、超静水压力和稳定性等参量的 变化特性，分析了路堤施工过程中的变形与破坏 机理，为实际工程中路堤填筑方法的对比论证与 优化提供一定的参考。 １路堤有限元模型的建立 某一高等级公路路堤顶宽１８ ｍ，路堤设计高 度５．０ ｍ，路堤边坡坡度为１：２，软弱地基厚度为 １３ ｍ，路堤和地基的几何构型如图１所示。 图１路堤横断面示意图 表１各层路基土的物理力学参数 筑，首先费时８ ｄ将路堤填筑至３．０ ｍ，然后停止 填筑６Ｏ ｄ以便使超静水压力的尽量消散，接下来 再用１２ ｄ将路堤从３．０ ｍ填筑至５．０ ｍ，填筑完 成后是固结预压阶段。 ２种填筑方法的实用填筑时间均为２０ ｄ，区 图２有限元网格划分（单元：７３２。节点：６０２９） 别在是否设置施工间歇期。 数值计算中采取２种填筑方法进行对比计 ２路基变形与破坏机理分析 算，如图３所示。 通过有限元对比计算与分析，得到了不同施 工过程中路基的竖向沉降、侧向位移、超静水压力 和稳定性等参量的变化特征。 ２．１路基竖向沉降分析 当路堤填筑至５．０ ｍ时，路堤底面（原地面） 上各点的竖向沉降发展情况如图４所示。可见， ｔ／ｄ 分阶段填筑得到的竖向沉降比一次性填筑的相应 图３路基加载过程示意图 值要大，路堤坡趾外的地面隆起变小。这是由于 在分阶段填筑至５．ｏ ｍ的过程中，存在６０ ｄ的施 一种是一次性填筑，在２０ ｄ内将路堤填筑至 ５．０ ｍ，其后是固结预压阶段；另一种是分阶段填 工间歇期，这期间超静水压力的消散使得土体进 一步得到固结，因而路基的竖向沉降量比一次性 维普资讯 http://www.cqvip.com
第２期 刘金龙，等：软土路基上路堤填筑方法的对比分析 表２ Ｇ点处的固结度 ２３１ （％） 填筑时的值要大，路堤稳定性也有所提高。 进一步得到了对称轴与原地面交点Ｇ处的 竖向沉降与时间的发展关系，见图５所示。分析 图中数据可知，由于一次性填筑过程中路堤荷载 较大较快的施加于路基，导致路基的沉降在前 ５０ ｄ内发展非常快，其增长速率已超过规范的要 求，因此该施工方法是危险的。 一类别 次性填筑 ５６ ８３ ８７ ９５ ０ 邶 珈 ９６ 分阶段填筑 ３Ｏ ４８ ７３ ９２ ９５ ２．２路基侧向位移分析 有限元数值计算得到了当路堤填筑至５．０ ｍ 时，路堤坡趾处竖向断面ＭＭ处各点侧向位移的 发展情况，见图６所示。由图可知，在路堤填筑至 而在分阶段填筑过程中，路基竖向沉降的发 展速率在施工间歇期明显减缓，这有助于控制路 基的变形要求，且间歇期超静孔压的消散使土体 的强度有所提高而进一步增强了路堤的稳定性。 随着工后固结时间的增加，２种填筑方法所得到 的竖向沉降量的差别越来越小，最后基本趋于一 致，说明填筑方法的不同主要影响到路基填筑阶 段的基本特性。 Ｏ ｇ 遨 ．叵 距对称轴距离／ｍ 图４路堤堤底横断面各点的竖向沉降量 ｇ 遨 ．匠 ｔ／ｄ 图５ Ｇ点处的竖向沉降与时间发展关系 根据图５可估算对称轴与原地面交点Ｇ处 的最终竖向沉降约为４６．５ Ｃ１ＸＩ，因而可得到该点 处不同时刻的固结度，见表２所列。 同样可见，一次性填筑过程中在８０ ｄ左右路 基的固结度就达到８７ ，表面上看该填筑方法有 助于加快路基的固结，但实际操作中是较危险的， 其竖向沉降速率已超过规范的要求。 ５．０ ｍ时，采用一次性填筑方法得到的侧向位移 大于分阶段填筑方法的结果。 Ⅷ／ 恒 ４ 培 ｍ 侧向位移／ｃｍ 图６坡址处ＭＭ断面上各点的侧向位移 图７所示进一步给出了填筑至５．０ ｍ时整个 路基体内侧向位移的等值线分布云图（单位： ｃｍ），从中也可以看出分阶段填筑得到路基侧向 位移小于一次性填筑的相应值。 （ａ） 一次性填筑 （ｂ）分阶段填筑 图７路基侧向位移等值线分布 侧向位移的这种特性需要结合路基竖向沉降 发展规律一起分析。结合图４分析知，超静水压 力在分阶段填筑过程中的间歇期得到一定程度的 维普资讯 http://www.cqvip.com
２３２ 合肥工业大学学报（自然科学版） 第３１卷 消散使得土体固结加快，导致填筑至５．０ ｍ时分 阶段填筑得到的竖向沉降比一次性填筑的相应值 要大，路堤安全系数也有所提高，这种特性势必决 定了路基侧向位移的分布特征。即路基的侧向位 法［ｎ，ｌｚ］，计算得到了不同施工时刻路堤的安全系 数，见表３所列。 移特性是与路基竖向沉降和稳定性发展相适应 的，较大的竖向沉降和较高的稳定性必然对应着 较小的侧向位移，因而填筑至５．０ ｍ时由分阶段 填筑得到的侧向位移数值较小。从图７还可以看 ＼ 三｛ ｉ三 ＝———～ ｕ．Ｏ Ｅ三兰三三三＿一：三＝三—二—／≥ ｎ＿丘——————一 出，最大侧向位移的位置位于软土层（泥炭土）中， （ａ） 一次性填筑 约在距地面３～５ ｍ深处，其与工程实际的实测 资料［８－１ｏ］相符合。 ２．３路基超静水压力分布 不同填筑方法下，路堤对称轴断面上距地面５．０ ｍ深点Ｑ处的超静水压力的消散隋况见图８所示。 ５Ｏ 矗 ４Ｏ 星 奋３０ ＊ 鸯２０ ｌＯ Ｏ ３Ｏ ６Ｏ ９０ ｌ２Ｏ ｌ５Ｏ ｌ８Ｏ ２ｌ０ ｔ／ｄ 图８特征点Ｑ处超静水压力的消散情况 可见，当路堤填筑至５．０ ｍ时采用一次性填 筑得到Ｑ点处的超静水压力为４５．５ ｋＰａ，而采用 分阶段填筑得到的超静水压力为２４．２ ｋＰａ，说明 施工间歇期超静水压力已得到了充分的消散。 分阶段填筑过程中超静水压力存在２个明显 的峰值，其分别对应着填筑至３．０ ｍ和填筑至 ５．０ ｍ，这与实际情况较符合。随着工后固结期 （预压期）的延续，路基体内超静水压力的消散趋 于结束，如在２００ ｄ时Ｑ点处的超静水压力值约 为０．８ ｋＰａ。 图９所示进一步给出了填筑至５．０ ｍ时整个 路基体内超静水压力的等值线分布云图（单位 ｋＰａ），从中可以看出最大超静水压力出现在路堤 中心处的泥炭土中，且由分阶段填筑得到的超静 水压力大大小于一次性填筑的相应值，这是由于 施工间歇期超静水压力充分消散所致。 ２．４路堤稳定性的发展规律 基于边坡稳定性分析中的强度折减有限元方 （ｂ）分阶段填筑 图９超静水压力等值线分布云图 由表３可知，当路堤一次性填筑至５．０ ｍ时 其安全系数为１．４５，在随后的固结阶段安全系数 逐渐提高，在８０ ｄ时安全系数增加至１．６４，其增 幅达１３ 。安全系数的这种增大是由于路基体 内超静水压力的消散，土体强度逐渐提高所致。 当采用分阶段填筑至３．０ ｍ时，路堤安全系数为 ２．２７，在随后的６０ ｄ施工问歇期安全系数略增加 至２．４０。当路堤进一步填筑至５．０ ｍ时，安全系 数降低至１．５５，这是由于荷载增加导致路基竖向 位移、侧向位移进一步发展所致。随着工后固结 时问的增加，不同填筑方法下路堤的安全系数趋 于相同达到１．６７左右。 表３不同施工时刻路堤的安全系数 可见，一次性填筑过程中的最小安全系数小 于分阶段填筑过程中的最小安全系数。因此，实 际工程中采用一次性填筑有可能因得到较小的安 全系数而导致路堤失稳，若采用分阶段填筑则整 个施工过程中路堤安全系数相对较大，路堤发生 失稳的几率降低。 ３结束语 基于非线性有限元方法，针对路堤一次性填 （下转第２３６页） 维普资讯 http://www.cqvip.com
２３６ 合肥工业大学学报（自然科学版） 第３１卷 （上接第２３２页） ［４］苏凯，徐希娟．勉宁高速公路挖方路段排水设计关键技术 筑和分阶段填筑过程中路基的竖向沉降、侧向位 研究ｌ－Ｊ］．合肥工业大学学报（自然科学版），２００６，２９（１）： 移、超静水压力和稳定性等参量的变化特性进行 ９４—９７． ［５］Ｌｏｇａｎａｔｈａｎ Ｎ，Ｂａｌａｓｕｂｒａｍａｎｉａｍ Ａ Ｓ，Ｂｅｒｇａｄｏ Ｄ Ｔ．Ｄｅ— 了考察。 ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｅｍｂａｎｋｍｅｎｔ［，Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｅｏｔｅｃｈ— 对比分析表明，当路堤填筑至设计高度时，分 ｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９３，ｌ１９（８）：ｌ１８５—１２０６． 阶段填筑得到的竖向沉降比一次性填筑的相应值 ［６］Ｈｕａｎｇ Ｗ Ｘ，Ｆｉｔｙｕｓ Ｓ，Ｂｉｓｈｏｐ Ｄ，ｅｔ ａ１．Ｆｉｎｉｔｅ－ｅｌｅｍｅｎｔ ｐａｒ— 要大，路堤坡趾外的地面隆起变小，路基侧向位移 ａｒｎｅｔｒｉｃ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ ｂｅｈａ￣ｏｒ ｏｆ ａ ｔｒｉａｌ ｅｍ— 也变小，且一次性填筑过程中的最小安全系数小 ｂａｎｋｍｅｎｔ ｏｎ ｓｏｆｔ ｃｌａｙ［，Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｅｏｍｅ— ｃｈａｎｉＣＳ，２００６，６（５）：３２８—３４１． 于分阶段填筑过程中的最小安全系数。 ［７］ＪｒｒＪ ｏｌ７—９６，公路软土地基路堤设计与施工技术规范［ｓ］． 因此，分阶段填筑有利于加快路基的沉降和 ［８］王晓谋，袁怀宇，贾其军，等．路堤下河滩相软土地基变形 提高路堤的稳定性，建议实际工程尽可能的采用 研究Ｉ－ｊ］．中国公路学报，２００３，１６（２）：２２—２６． 该方法进行施工。 ［９］林育梁，叶朝良．路堤软土地基变形性状模型试验研究 －ｌＪ］．公路，２００２，（１２）：３５—３９． ［参考文献］ ［１ｏ］．向先超，汪稔，朱长歧．海滩地区软土路基瞬时沉降分析 Ｉ－Ｊ］．岩土力学，２００５，２６（７）：ｌｏ９５—１０９８． ［１１］Ｇｒｉｆｉｔｈｓ Ｄ Ｖ，Ｌａｎｅ Ｐ Ｓｌｏｐｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｂｙ ｆｉｎｉｔｅ ［１］郭宗文，张安能．超软弱地基填筑高等级公路路堤施工工 ｅｌｅｍｅｎｔｓ［，Ｊ］．Ｇｅｏｔｅｃｔｍｉｑｕｅ，１９９９，４９（３）：３８７－－４０３． 艺ｌ－Ｊ］．水运工程，２００１，（２）：４ｌ～４４． ［１２］刘金龙，栾茂田，赵少飞，等．关于强度折减有限元方法 ［２］刘观仕，孔令伟，陈善雄．襄荆高速公路膨胀土路堤填筑 中边坡失稳判据的讨论ｌ－Ｊ］．岩土力学，２００５，２６（８）： 施工工艺试验研究［Ｊ］．岩土力学，２００３，２４（６）： １３４５—１３４８． ９６１—９６４． ［３］刘必胜．安徽沿江高速公路大渡口段软土路基工程地质评 （责任编辑朱华新） 价ｌ－Ｊ］．合肥工业大学学报（自然科学版），２００５，２８（８）： ９２２——９２５．