路堤荷載下公路軟基側(cè)向變形規(guī)律分析

吳少勇

我國(guó)沿海地區(qū)廣泛分布較深厚的海相、濱海相淤泥和淤泥質(zhì)軟土,具有高含水量、高壓縮性、低強(qiáng)度、低滲透性和高靈敏度等特點(diǎn),地基穩(wěn)定性差[1]。軟土路基的變形除了豎向沉降變形外,還有側(cè)向變形。因?yàn)橐话懵范蔚拈L(zhǎng)寬比L/B≥10,屬于平面應(yīng)變問(wèn)題,隨著路基內(nèi)豎向應(yīng)力、水平應(yīng)力和剪應(yīng)力的增加和塑性區(qū)的開(kāi)展,地基土產(chǎn)生側(cè)向位移,并在施工期和運(yùn)行期(工后)長(zhǎng)期存在[2,3]。本文主要以廣珠高速西線公路軟基監(jiān)測(cè)工程為依托,考慮了施工過(guò)程中路堤分級(jí)堆載以及軟土蠕變對(duì)軟土路基側(cè)向變形的影響,應(yīng)用Plaxis軟件對(duì)廣珠高速公路西線K11+196斷面路基側(cè)向變形規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬分析,將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

廣州—珠海(西線)高速公路是廣東省珠江三角洲地區(qū)高速公路網(wǎng)的重要組成部分。廣珠西線北起廣州南環(huán)海南村,跨珠江,經(jīng)三山、陳村,終點(diǎn)在順德市北窖鎮(zhèn)碧江,與碧桂一級(jí)公路相接,全長(zhǎng)14.659 km。該線路位于珠江三角洲沖積平原,地勢(shì)較為平坦。全線路主要路段均為橋梁和軟基交錯(cuò),且其中相當(dāng)一部分為橋頭地帶,軟土軟厚,橋頭路堤填土較高,結(jié)合廣東近年來(lái)對(duì)軟基處理積累的經(jīng)驗(yàn),采用常規(guī)堆載預(yù)壓法處理,按照薄層輪加法進(jìn)行路基填筑施工。

1.2 地質(zhì)工程情況

從地質(zhì)勘察報(bào)告可知,K11段地區(qū)的地層從上至下:①填砂:一般厚度2 m,魚(yú)塘部分厚2.5 m,主要是回填砂墊層及工作墊層。②耕植(表)土:分布范圍1.2 m～2.0 m,土黃色,主要分布在K11+021～K11+044,局部見(jiàn)少量的植物根。③淤泥:分布范圍1.2 m～13.5 m,呈灰黑色,飽和,流塑狀,上部夾0.3 m～0.5 m厚粉細(xì)砂,局部含少量貝殼片,底部富含腐殖質(zhì)。④粉質(zhì)土:呈粉白色～黃色、紫紅色,主要成分為粉粒及粘粒,含少量粉砂,軟塑～可塑。⑤粉土質(zhì)砂:紫紅色,主要為粉粒,粘粒含量較少,濕,稍密。

2 Plaxis有限元分析模型

2.1 模型建立

對(duì)路堤分級(jí)堆載而言,從嚴(yán)格意義來(lái)講,是一個(gè)三維問(wèn)題,但在目前的條件下,采用三維有限元其建模比較復(fù)雜,而且得不到理想的分析結(jié)果,一般路段的長(zhǎng)寬比L/B≥10,屬于平面應(yīng)變問(wèn)題。故計(jì)算模型近似將三維問(wèn)題簡(jiǎn)化為二維平面應(yīng)變問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算。本文選取廣珠西線K11+196斷面進(jìn)行了路堤堆載下公路軟基側(cè)向變形定量分析。該路堤斷面頂寬為30 m,路堤填筑高度6.54 m,坡度為1∶3,軟弱地基深度為23 m。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料,地基軟土按照土性差異可以劃分為5個(gè)土層,各層路基土的有限元計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。地下水位位于地表。有限元分析中采用15節(jié)點(diǎn)的三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格剖分,有限元計(jì)算網(wǎng)格剖分圖如圖1所示。

表1 土體計(jì)算參數(shù)

Plaxis模擬過(guò)程采用的是軟土蠕變模型和莫爾—庫(kù)侖模型經(jīng)過(guò)組合變化得到的粘塑性蠕變模型。路堤以下的路基部分采用蠕變模型計(jì)算[3]。實(shí)際路堤堆載過(guò)程中分18級(jí)加載,每級(jí)計(jì)算加載與實(shí)際施工過(guò)程的加載曲線如圖2所示。

2.2 邊界條件

模型在建立時(shí),以路基中線為對(duì)稱(chēng)軸,只取一邊范圍的土體建立有限元分析模型。地基的側(cè)向邊界水平位移為0,在路基中線下處的邊界豎向可以自由變形,所以豎向不受約束,而在另一邊的邊界需要考慮路基變形的影響范圍,一般取堆載土體寬度的4～5的距離時(shí),可以不考慮堆載體的影響,對(duì)水平向位移可以約束,不能約束豎向位移。對(duì)于底部為透水基巖,水平位移和豎向位移都受約束,不可以自由變形[4]。

2.3 軟土初始狀態(tài)定義

對(duì)于孔壓邊界條件,兩邊為透水邊界,孔壓未知;底部根據(jù)土層情況,設(shè)為透水邊界。而在豎向排水位置,由于孔隙水均從排水體中排出,故在上下邊界設(shè)為透水邊界。

3 Plaxis計(jì)算結(jié)果分析

3.1 側(cè)向變形與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

圖3,圖4分別為路堤坡腳處側(cè)向位移的理論計(jì)算值和實(shí)測(cè)值分布曲線圖。從圖3,圖4可知,路堤堆載下公路軟基側(cè)向變形的理論值和實(shí)測(cè)值比較接近,其曲線形態(tài)相也比較相似。從以上對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),采用有限元法模擬得到的結(jié)果和實(shí)測(cè)值相比,得到的結(jié)果都較為吻合。

3.2 軟基側(cè)向變形分析

由路堤坡腳處橫斷面?zhèn)认蛭灰品植记€可知,側(cè)向位移變化呈現(xiàn)隨軟基深度先增大后減小的趨勢(shì);有限元計(jì)算表明當(dāng)填土256 d時(shí),在軟基表面下5.80 m附近,側(cè)向位移達(dá)到最大值0.21 m,即最大側(cè)向變形依然發(fā)生在淤泥質(zhì)土層。側(cè)向位移在堆載預(yù)壓期迅速增加,而在每級(jí)填土荷載加載完畢后的預(yù)壓期間,土體側(cè)向位移開(kāi)始膨脹變大。

3.3 最大側(cè)向位移分析

圖5,圖6為不同路堤堆載高度的軟基側(cè)向位移等值線云圖,從圖5,圖6可知,路堤從填筑開(kāi)始即發(fā)生側(cè)向變形。隨著路堤填筑高度的增加,側(cè)向位移分布區(qū)逐漸由坡面向坡內(nèi)發(fā)展,側(cè)向變形區(qū)的面積逐漸擴(kuò)大,同時(shí),側(cè)向變形區(qū)在地基內(nèi)逐漸向下擴(kuò)展。

從路堤堆載下軟基側(cè)向位移場(chǎng)的發(fā)展情況來(lái)看,隨著路堤填筑高度的增加,軟基最大側(cè)向位移的位置由路堤坡腳與軟基交界處向淤泥質(zhì)黏土層中發(fā)展,直至路堤堆載施工結(jié)束,施工完成后,以最大側(cè)向位移為中心,側(cè)向位移等值呈現(xiàn)出“橢圓”的形態(tài)分布于軟基的淤泥質(zhì)土層中。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)二維平面有限元分析程序Plaxis對(duì)某高速公路K11+196斷面路堤堆載施工進(jìn)行了數(shù)值模擬,將數(shù)值結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析可知,利用有限元計(jì)算程序模擬路堤荷載下公路軟基側(cè)向變形規(guī)律,并為實(shí)際高速公路工程軟土側(cè)向變形預(yù)測(cè)提供較準(zhǔn)確的理論和施工指導(dǎo)。

[1]閻 鈳,朱長(zhǎng)歧.海滄大道軟土路基施工側(cè)向位移數(shù)據(jù)分析[J].巖土力學(xué),2003,24(sup):465-468.

[2]Tavenas F A.Lateral displacement in clay foundations under embankment[J].Canadian Geotechnical Journal,1979,16(3):532-550.

[3]馬時(shí)冬.路堤下軟粘土地基的側(cè)向位移[J].華僑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1995,16(2):165-167.

[4]Vermeer P.A,Neher H.P.A soft soil model that accounts for creep.Beyond 2000 in Computational Geotechnics-10 Years of PLAXIS International[C].Balkema:Rotterdam,1999:1-13.

[5]孫 鈞,汪 炳.地下結(jié)構(gòu)有限元法解析[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1988:6.

[6]李 飛.路堤堆載引起路基及鄰近樁土側(cè)向變形效應(yīng)研究[D].南京:河海大學(xué)碩士論文,2005.