冰水堆积土路基压缩特性研究
侯春营 罗利娟
[摘要]为节约成本，利用乐雅高速沿线分布的冰水堆积土填筑路堤，需对冰水堆积土的级配、压实性能和沉降规律等路用性质进行研究。利用颗粒分析，重型击实，渗透试验等室内试验对冰水堆积土的填料可行性進行了分析，采用有限元软件MIDAS模拟计算了乐雅高速典型断面，对冰水堆积土的填筑方案进行了对比分析，在此基础上研究了冰水堆积土路堤的沉降规律。研究结果表明采用夹层法后冰水堆积土可以用于填筑路堤。
[关键词]冰水堆积土;压实性;沉降;有限元模拟 文章编号：2095 -4085 （2019） 04 -0005 -03
冰水堆积土是由于冰川的刨蚀作用和搬运作用最终沉积下来而形成的一种土，在中国西南地区的高山、极高山以及周边地区有一定分布。从工程分类上冰水堆积土一般属于巨粒土、块石土或碎石土[2]。各地冰水堆积土的颗粒组成和成分并不一致，有较大变化，其级配与压缩性质与工程填料要求存在一定差异，因此在条件允许情况下很少用于填方工程[3]。乐雅高速公路有大量填方工程，对填方土料有极大的需求量。对于这种情况，工程上通常采取“因地制宜、就地取材”原则就近解决，因此乐雅高速沿线附近广泛分布的冰水堆积土就得到了重视。为了能够应用冰水堆积土填筑路堤，就必须对其路用特性和压实性等进行研究，明确其路用属性，并在此基础上进一步研究冰水堆积土填筑路堤后的沉降规律。
冰水堆积土在我国的应用极少，在工程上作为路基填料的应用仅有与乐雅高速公路情况类似的雅泸高速，相关理论研究也不充分。张双永，吕大伟等[4-7]通过现场勘查和室内外试验，对冰水堆积土进行了相应研究。目前其在高速公路上的应用还较少，且由于冰水堆积土构成的多变性可以借鉴的经验也不多，需要展开进一步的研究。为了利用乐雅高速沿线分布的冰水堆积土作为路基填料，需要对其组成，级配，压实性及填筑后沉降等相关问题进行研究。本文在分析乐雅高速沿线分布的冰水堆积土组成，级配的基础上，重点研究冰水堆积土路堤的可行性填筑方案，并借助有限元手段对其沉降规律进行研究。
1 冰水堆积土填料性质
经过前期调研发现沿线冰水堆积土主要呈两种形态，第一种的主要成分是高液限粘土，含砾粘土，其中黏土含量占80%左右，且含水量高达40%左右，无法作路基填料。第二种主要以卵石质粘土组成，厚度4m～ 28m。卵石成分以花岗岩，变质砂岩为主，多呈强～全风化状态，卵砾石占22%～ 43%，含水量30%左右，该冰水堆积层经过处理后可以作路基填料。
通过室内试验确定，乐雅高速沿线第二种代表性冰水堆积土土样含水率范围20. 3%—27. 9%，经重型击实试验可得填料最佳含水量为22. 3%时，最大干密度为1. 86g/cm3。对代表性土样进行了颗粒分析试验，试验结果发现冰水堆积土样粗颗粒含量和细颗粒含量都占有较大比例，但是中间粒径含量较少。通过渗透试验测定冰水堆积土试样的渗透系数为=4. 21 xl0 -7cm/s。5.Omm以下含量超过62. 82%，表示细颗粒含量较大，土样排水不畅。综合分析可知，乐雅路沿线冰水堆积土不适宜直接作为高速公路路基填料。
2冰水堆积土路堤填筑方案
为了实现冰水堆积土填筑路堤必须对冰水堆积土采用特殊施工方法，即夹层法。具体方法如下。在路堤填筑时，首先填筑一层砂砾石用以提高路堤填土的排水性能，同时改良冰水堆积土的压实性能。第二层填筑冰水堆积土，并以此类推。采用夹层法填筑路堤可以为冰水堆积土提供良好的排水通道，实现较好的压实效果，降低工后沉降，以满足高速公路的沉降要求。但是由于冰水堆积土的工程应用经验较少，还需要对路堤的填筑厚度进行深入分析以达到较好的施工效果。
为了研究冰水堆积土的合理填筑厚度及其沉降规律，采用大型有限元软件MIDAS进行模拟计算，并在此基础上对填筑后的路堤的沉降规律进行研究。
2.1模型的构建
高速公路呈带状分布，所以选取乐雅高速的一个典型断面l延米长为原型进行分析，将复杂的三维问题转化为二维平面问题，以典型断面的变形特性分析路堤整体的沉降变形特性。通过分析乐雅高速几个断面，最终选取的代表性路堤为填高lOm、填方路堤顶部宽度为28m，填方路堤底面的宽度为52m。边坡坡度1：1.5。根据相关模拟计算经验，地基厚度可以按照地基压缩层厚度取值即3倍路堤高度30m，模拟计算宽度取3倍路堤底面宽度即156m。边界条件如下。地基底面约束X方向和Z方向，Y方向自由，地基两侧约束相同。网格划分采用面映射网格划分，其中单元采用PLANE42平面单元。根据地勘报告和室内试验结果，冰水堆积土计算参数：重度20kN/m3，E为30MPa，c取55kPa，ψ取18°砂砾石层计算参数：重度25 kN/m3.E为28MPa，c取6kPa，ψ取36°。地基土计算参数：重度19 kN/m3，E为17MPa，c取llkPa，‘D取130。
为明确冰水堆积土的压实性质以及冰水堆积土夹层填筑砂砾石的压实性质，共进行三组模拟计算，分别为冰水堆积土层30cm厚+砂砾石层30cm厚，冰水堆积土层50cm厚+砂砾石层50cm厚。
2.2结果分析
模拟计算结果如图1、图2所示。
从图1-2可以看到，路基的最大沉降均发生在路基中线位置，从路基中线到路肩沉降量略有减小。采用冰水堆积土填筑路堤最大沉降量为45cm，各层土的沉降量较为一致但层与层之间的沉降又一定的差距，这是因为冰水堆积土中以粗颗粒为主，包含有一定细颗粒，缺少中间粒径导致其压实性能不好，填筑路堤后产生的较大的沉降。与冰水堆积土填筑路堤类似，采用砂砾石50cm厚夹冰水堆积土50cm的填筑方法压实效果也并不太好，各层土之间的沉降量仍然有一定差距。每层填筑30cm最大路基沉降约为25.08cm，各层土沉降很均匀，是填筑密实的表现。这是因为砂砾石层不但改良了冰水堆积土的级配情况为冰水堆积土层提供了良好的排水通道，为冰水堆积土层的固结沉降提供了有利条件。
根据以上分析，可以发现按照冰水堆积土层30cm厚+砂砾石层30cm厚的填筑方法填筑的路堤具有较好的压实性，沉降量较小，满足规范要求。3路基沉降规律分析
工后沉降规律分析选取模型为冰水堆积土层30cm厚+砂砾石层30cm厚的模型，沉降模拟时间为一年，荷载因子为0. 25。沉降图如图3-6所示。
从图5-6可以看出，路基填筑完成后的工后沉降初期前90d路堤发展较快，沉降速率约为0.22mm/d一0.34mm/d。超过90d以后，路堤的沉降速率迅速降低并趋于平缓。90d以后路堤沉降速率大约在0. OOlmm/d～0.002mm/d之间，
并且随着时间的增加逐渐降低，270d以后沉降量基本稳定，沉降速率基本趋于零。90d工后沉降大约28cm，180d工后沉降大约29cm，一年以后沉降量约为30cm，且基本稳定。说明固结随着时间的变化开始较快是因为土中的孔隙水压力通过下层砂砾石中的通道迅速排出，沉降較快，当孔隙水压力完全消散固结完成，沉降基本不再变化，此时可以进行路基上部施工。
4结论
1.采用MIDAS软件对冰水堆积土填筑路基的几种方法进行了模拟分析，分析结果发现冰水堆积土层30cm厚+砂砾石层30cm厚的夹层法填筑路堤可以达到较好的压实性，能够作为路堤填料使用。
2.冰水堆积土层30cm厚+砂砾石层30cm厚夹层法填筑路堤沉降规律与一般路堤规律相似，经一年沉降后能基本稳定，沉降量小于30cm，满足施工要求。
参考文献：
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