季節性凍土路基施工期沉降量預測

王長江 張向東 蘭常玉

關于季節性凍土路基研究主要集中于季節性凍土路基處治的現場試驗方案[1]、季凍地區路基中的水分遷移機理及處理措施[2]、季凍區基礎凍脹成因及防治分析[3]、季凍區土質路塹邊坡淺層含水率變化研究[4]、季節性凍融期土壤入滲試驗[5]、季節性凍土的處理措施[6]等方面,關于季節性凍土路基施工期的沉降研究則鮮見報道。由于道路在施工期沉降量的不同,導致道路土體運營過程中初始結構性的不同,進而使得土體具有不同的初始結構強度。土體不同的初始結構強度意味著土體不同的重度及含水量,因此會有不同的凍融特性。研究季節性凍土施工期的沉降問題,是解決季節性凍土凍融危害問題的必要前提。本文以哈大高鐵北沙河特大橋小里程端施工段為研究對象,利用MIDAS軟件進行了季節性凍土路基施工期沉降量的預測,取得了理想的模擬效果,為今后相類似的工程提供了寶貴的經驗。

1 建立模型

選取位于北沙河特大橋小里程端的施工段作為模擬工點。線路在該施工段以填方通過,且所經地勢較為平坦,設計路堤中心最大填高為5.69 m,邊坡最大高度5.91 m。可影響地層共分兩層,上層為黃褐色黏土,硬塑性,含有可見的鐵錳質浸染物,厚度在0 m～2.8 m之間;下層為黃褐色粉質黏土,軟塑性,厚度大于20 m;地下水具有硫酸鹽侵蝕性。基床設計參數為:基床表層填0.4 m厚的級配碎石,以下依次為0.2 m厚的中粗砂,0.9 m厚的非凍脹土和1.2 m厚的 A,B組土,中粗砂內鋪設一層兩布一膜不透水水工布(600 g/m2),基床以下填合格填料。

根據路基實際設計情況,建立數值分析模型(見圖1),地表以上填筑材料參數完全按設計參數確定,各層參數分別為:基床表層的級配碎石0.4 m厚,中粗砂層為0.2m厚,非凍脹土層0.9 m厚,A,B組土1.2 m厚。地表以下考慮到具體施工時采用去除部分粉質黏土然后回填黏土的情況,所以模擬過程中取黏土層5 m厚,同時考慮到應力擴散角的影響,將粉質黏土層設為15 m厚,15 m以下土體被認為超出影響范圍。

模擬過程中采用庫侖摩爾本構模型,模型荷載有自重和回填土體上部均勻分布的受壓荷載兩種。約束條件為模型底面上的點定義成鉸接類型,左、右側的節點定義為 X方向的滑動類型。由于施工階段嚴格控制含水量,所以定義孔隙壓力為0。第一個施工階段是施工之前的階段,此時只有地基的單元承受自重。第二個施工階段為回填第一部分,以后以此類推,在最后施工階段里施加均布路面荷載。

2 確定模型輸入參數

在利用MIDAS軟件進行數值模擬的過程中,首先需要確定材料的彈性模量、泊松比、容重、粘聚力、摩擦角等特征值,在土體變形過程中,這些特征值是隨變形進程發展而變化的,因此完全按照MIDAS程序所指明的方法輸入確定的特征值,將會增大模擬結果的誤差,為減小誤差,需要動態輸入上述特征值。要達到動態輸入的目的,首先就應求出上述特征值的變化規律。我們知道,上述土體的特征值均從不同角度反映了土體結構性特征,因此可以通過前述確定的結構性參數,并結合試驗分階段確定特征值。首先將模擬過程劃分為3個階段(階段數劃分以試驗曲線變化階段為準,過少則不能模擬實際變化過程,過多會導致計算過程復雜而精度卻無顯著提高的情況),在不同階段計算不同的特征值作為模擬輸入參數值。在模型定義的約束條件下有:

其中,σi為第i階段初始軸向應力;εi為第i階段初始軸向應變;λi,ζ分別為受圍壓和含水量影響的參數,此次模擬中其值分別為-1.4和0.3;A1,B1均為受含水量影響的參數,此次模擬中其值分別為1.6和1.0。

忽略蒸發因素的影響,可以認為土體沉降過程中含水量不發生變化,則式(1)中的參數ζ,A1,B1在各模擬階段不會發生變化,但受圍壓影響的 λi會發生變化,第 i+1階段的 λi+1可由式(1)變形得到:

其中,σi+1為第 i+1階段初始軸向應力,即第 i階段模擬結束時的軸向應力,可由模擬結果確定;εi+1為第 i+1階段初始軸向應變。第i階段模擬結束時軸向應變可由模擬結果確定。

根據式(1)和式(2)即可求出每個模擬階段的初始應力應變值,進而可以計算出每個階段的彈性模量。在式(1)中,若將σi考慮為主應力差,在每個對應階段中再另外選取一點,結合該階段的初始狀態和結束狀態對應的應變,取得一個階段中的3點應變值,然后利用式(1)即可計算出相應的3個主應力差,可以根據得到的3個主應力差繪制出庫侖摩爾圓,進而通過摩爾圓的包絡線確定該模擬階段的粘聚力和內摩擦角,各階段均按上述方法確定各自的粘聚力和內摩擦角。泊松比和容重在模擬過程中被當作常量,則各階段輸入參數值隨之確定,具體計算結果見表1。

表1 在不同階段中數值模擬輸入參數值

3 數值模擬結果及分析

通過三階段模擬方法,完成了北沙河特大橋小里程端的施工段在施工期間路基沉降的數值模擬計算,最終計算結果見圖2。由圖2可以看出,當按上述方法施工結束后,在 A,B組土與黏土層的分界面附近將發生較大的水平方向位移。模擬結果顯示水平向最大位移值發生在地面附近,其值為2.47 cm。隨土層深度的增加,水平位移值呈減小趨勢,并出現明顯的3階段性變化:在0 m～-3.4 m范圍內,水平位移值從2.47 cm快速降至1.2 cm;在-3.4 m～-5.1 m范圍內,水平位移值從1.2 cm緩慢降至0.9 cm,減小速率降至前一階段的0.5倍;在-5.1 m～-15.3 m范圍內,水平位移值從0.9 cm極其緩慢降至0.1 cm,減小速率降至第1階段的0.2倍,總的影響深度可達-16.4 m。同時還可以看出,隨著深度的增加,水平位移的影響范圍也呈減小趨勢。

由圖2還可以看出,當按上述方法施工結束后,在中粗砂、非凍脹土和A,B組土構成的土層中將發生較大的不均勻沉降。模擬結果顯示最大沉降量發生在中粗砂與非凍脹土的分界面下非凍脹土中,其值為16.1 cm,接近A,B組土層時沉降量有所降低,降至14 cm,然后在 A,B組土層中逐漸降至0 cm。在沉降影響區外側小范圍內土體沒有發生任何豎向位移,在向外延伸的范圍內土體會被抬升,最大抬升高度為0.2 cm。根據對模擬結果的分析可知,施工過程中所用的非凍脹土和 A,B組土會帶來較大的水平位移和沉降,為滿足工程建設的“0沉降”目標,應更換透水性好、壓縮性更小的材料代替非凍脹土和 A,B組土。

[1]鐘 衛,朱 明,袁文忠.高原季節性凍土路基處治的現場試驗方案研究[J].路基工程,2007(1):59-60.

[2]朱 明,宋 琿,鐘 衛.季凍地區路基中的水分遷移機理及處理措施[J].路基工程,2007(1):62-63.

[3]王 虹,姚相權.季凍區基礎凍脹成因及防治分析[J].民營科技,2009(2):1.

[4]單 煒,劉紅軍,楊 林,等.季凍區土質路塹邊坡淺層含水率變化研究[J].巖土力學,2008,29(sup):335-341.

[5]杜 琦.季節性凍融期土壤入滲試驗綜述[J].地下水,2009(31):14-18.

[6]張玉聲.季節性凍土的處理措施[J].北方交通,2009(5):50-51.