浅析硬壳层厚度对于软土路基变形影响

摘要：软土路基作为道路修建过程中的一大障碍，给国家道路建设带来了很多不必要的麻烦，本论文通过室内离心试验，研究不同硬壳层厚度对于软土路基变形的影响。

关键词：离心试验 硬壳层厚度 路基变形

随着国家经济的发展，基础建设越来越显得重要，尤以公路建设为主，日益适应了人民的需求。由于建设高等级公路需要占用大量土地，在贵州山区等软土发育较为明显的地方，我们面临着诸如软土含水量高、压缩性大、承载力低等问题，因此如何解决好以上特点，并且修建高质量的公路具有重大的意义。山区高速公路软土路基的变形特性研究，显得尤为重要，也日益受到工程设计和施工单位的关注。本文依托工程通过硬壳软土路基室内离心试验，研究了不同的硬壳层厚度对于软土路基变形影响。

1 硬壳层

在软土地基上部，因为外界环境的影响，上部软土水体蒸发，使得土体硬度变大，形成一层硬度大的土层，其密实度大，压缩性高，抗剪切能力强。能承担一定的外部荷载，称之为硬壳层。

2 模型制作及运行

我们采用水泥砂浆模拟基岩性状；按照工程实际情况进行模型的填筑，采用最大干密度2.09g/cm3以及最佳含水率9.0%作为填土参数，然后通过压实度和填筑的高度来控制分层压实的质量。制模时，为了防止模型周边的边界效应，我们在模型周边涂上黄油。我们在模型的横断面上绘制网格线，并在模型箱外的玻璃上嵌入大头针来两侧点的变形值。这样可以方便、直观地观测到软土路基在离心试验后的变形。

3 室内离心试验

根据n2t=T，其中t为模型在试验中运行的时间，T为实际自然作用时间，以n=60为参数离心机运行120分钟可以模拟软土路基在实际自然环境下时间T为T=（60×60×120）/（356×24×60）=0.85（年），大约为10个月，也就是离心试验模拟了路基在10个月内的变形情况。

本论文依托贵州遵毕高速公路软土路堤原型做研究，以保证问题具有一定的代表性，考虑到边界效应的影响，模型的比例尺不宜取得太大；为了方便小尺寸构件的模拟，模型的比例尺同时不宜取得太小。鉴于以上两点原因，本次模型试验的模型的比例尺取1：60。

3.1 3cm硬壳软土地基路基 （模型一）

此模型试验中需要的参数分别为： 试验模型重心坐标x=25.50cm，y=14.45cm；根据模型箱的尺寸，确定相应试验条件下的模型率、离心加速度。

经过试验可以发现：

①在模型一中，硬壳层及硬壳层下4cm处最大的水平变形发生在距离路基中心350mm处，也就是路基坡脚处，此处水平变形最大，在外界荷载作用下容易引起剪切变形。

②模型一中硬壳层以及硬壳层下软土的最大竖直变形在路面的垂直下方，因为随着路基填筑荷载的增加，填筑引起的应力在此集中所以产生的竖向变形较大。通过试验，模型一中距离中心430mm处硬壳层及硬壳层下4cm处垂直变形变为负数，说明此处以发生剪切变形，将出现隆起情况。在坡脚处最大水平变形达到5.5mm，路基顶面最大竖向变形达到12mm。

总结模型一的变形特性，可以看出此硬壳软土路基的水平变形主要集中在路基坡脚处以及边坡处；沉降变形主要集中在路面的垂直下方。

3.2 5cm硬壳软土地基路基（模型二）

为了得到不同厚度硬壳层对路基变形的影响结果，我们在将模型二的硬壳层厚度由3cm调为了5cm，其他保持不变。本次模型试验的模型的比例尺不变，试验模型重心坐标x=25.85cm，y=14.20cm。

经过试验可以发现：

①模型二中硬壳层以及硬壳层下4cm处的软土的水平变形主要发生在距离路基中心350mm处。

②模型二硬壳层以及硬壳层下软土的沉降变形最大处主要位于路面的垂直下方。

4 试验结论

通过模型一二变形的不同，可以看出不同的硬壳层厚度有不同的变形特性。其中模型监测点的水平位置均是相对于路面中心线。

①水平变形

1）变形的位置相同。模型路基顶面最大水平变形都集中在路基路肩处；模型的硬壳层和软土层的最大水平位移均发生在路基坡脚处以及路基边坡处附近。

2）变形值不同。模型一的水平变形较模型的大，并且最大水平变形比模型二相同位置的变形大了约一倍；在距离路基中心370mm的坡脚处，模型一路基水平变形值为5.5mm，模型二为3mm。

3）变形值分析。模型一硬壳层厚度为3cm，模型二硬壳层厚度为5cm。具体见表1。

②竖向变形

通过分析试验后竖向变形数据，我们可以得到模型一与模型二有着不同的竖向变形特性。主要有以下几方面：

1）变形位置相同。模型一与模型二的路基顶面没发生较大的不均匀沉降；模型的硬壳层和软土层的最大竖向变形主要发生在路基顶面的垂直下方。

2）变形值不同。模型二路基顶面平均竖向变形小于模型一的竖向变形，大约为模型一路基顶面平均竖向变形的75%；。

3）变形值分析。模型一硬壳层厚度为3cm，模型二硬壳层厚度为5cm，具体见表2。

通过研究模型一与模型二的水平、竖向变形特性，可以看出硬壳层的厚度对于竖向变形和水平变形都会造成影响，其厚度越大，抑制变形的能力会越强。由于硬壳层具有扩散应力及应力封闭的特性，使得在有硬壳层的情况下，地基具有良好的承载能力，而且硬壳层厚度越大，性能越优秀，抗变形能力越强。可见硬壳层对于软土变形具有一定的影响，应该加以重视。

参考文献：

[1]周沁.路堤荷载下考虑侧向变形的地基沉降分析[J].甘肃科技，2006（07）.

[2]方磊，朱中卫.软土路基侧向变形影响因素研究[J].公路交通科技，2005（11）.

[3]张利民.用离心试验模型研究桩基的承载特性[J].岩土工程学报，1991，13（3）：26-35.

[4]金鑫.软土路基沉降预测与计算方法研究[D].上海交通大学硕士学位论文，2008.