施工期軟土路基沉降數(shù)值模擬分析

趙丹丹，彭社琴（1.中鐵二局勘測設(shè)計(jì)院，成都 61003；.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059）

施工期軟土路基沉降數(shù)值模擬分析

趙丹丹1，2，彭社琴2
（1.中鐵二局勘測設(shè)計(jì)院，成都 610032；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059）

探討施工期路堤填筑速率對軟土路基沉降和穩(wěn)定性的影響，以某高速公路為例，建立斷面模型，對不同路堤填筑情況下的路基沉降進(jìn)行數(shù)值模擬。結(jié)果表明，填筑速率越大，沉降速率越大，過快的填筑速率會影響路基的穩(wěn)定性，但對最終沉降量影響不顯著。

軟土路基；沉降；數(shù)值模擬

1 前言

軟土路基沉降引起的路堤沉降或者不均勻沉降為公路工程中的常見病害。為了有效控制施工填筑期路基沉降的不良影響，對公路路段應(yīng)進(jìn)行有效的監(jiān)測工作，利用監(jiān)測結(jié)果評估其施工填筑速率的大小是否會引起過大的路基沉降，從而更好的控制施工。目前，對于分析地基沉降控制施工的手段方法有許多。楊奎清［1］等運(yùn)用有限元分析軟件ADINA對軟土地基沉降變形進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究軟土地基沉降變形特性及規(guī)律，得出路基失穩(wěn)時滑動面的可能位置；左威［2］等基于PLAXIS軟件開展有限元數(shù)值計(jì)算。通過分析不同填土速率、不同填土間隔時間工況下路基的穩(wěn)定與變形情況，得出不同填土速率對軟土地基的工后總沉降影響不大，但填土速度過快沉降速率也較大；毛巨省［3］等應(yīng)用有限差分FLAC軟件對某高速公路的蠕變沉降變形規(guī)律進(jìn)行了分析，對比了理論與實(shí)測沉降量，得出WIPP蠕變模型能較好模擬軟土路基沉降變形問題。

在某高速公路現(xiàn)場沉降板監(jiān)測中，發(fā)現(xiàn)許多施工隊(duì)為了趕工期，在進(jìn)行路堤填筑時，并未按照規(guī)范中要求的30cm一層的高度填筑，而是一次填土厚度超標(biāo)，填筑高度達(dá)到1.0m，甚至達(dá)到2.0m以上。在如此的填筑速率下，路基的穩(wěn)定性可能會受到威脅。因此，為了探討非常態(tài)施工情況下對路基沉降的反映，本文擬通過3種不同施工填筑速率，對軟基的沉降進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以期獲得具有參考意義的結(jié)論。

2 計(jì)算模型建立

某高速公路典型斷面K38＋820如圖1所示，以此為基礎(chǔ)建立模型。

2.1 地質(zhì)原型

該斷面由第四系全新統(tǒng)沼澤沉積層（軟土地基）、侏羅系上統(tǒng)遂寧組以及上部填筑路堤組成。

第四系全新統(tǒng)沼澤沉積層（Q4f）：由低液限粘土（CL）以及高液限粘土（CH）組成，灰黑－淺褐色，主要分布于溝谷低洼地帶或水田中，屬溺谷相沉積，層理垂直向變化較大，水平向變化較小，由粘粒、粉粒組成，含少量泥巖碎石、角礫、有機(jī)質(zhì)，含水量多達(dá)飽和狀態(tài)，呈流塑－軟塑狀。此剖面厚度為8.9m。

侏羅系上統(tǒng)遂寧組（J3s）：巖性主要為紫紅色鈣質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖與紫紅色塊狀細(xì)粒鈣質(zhì)長石砂巖或細(xì)粒鈣質(zhì)長石石英砂巖組成不等厚互層。泥巖色鮮，層理清晰，具蟲孔、波痕構(gòu)造，局部含石膏較多，風(fēng)化帶內(nèi)可見石膏溶蝕孔洞，性較軟。砂巖一般不穩(wěn)定，橫向多變?yōu)榉凵皫r或泥巖，含灰質(zhì)，具波狀交錯層理或斜交層理，并夾灰綠色團(tuán)塊及條帶，底部有沖刷現(xiàn)象。

路堤填筑高度為8.1m，路堤坡比為1∶1.5，主要以塊碎石土為主。

圖1 K38＋820斷面地質(zhì)剖面示意圖Fig.1 K38＋820geologic section

該斷面軟基處理方式為碎石樁，樁徑為50cm，間距為1.7m。

2.2 計(jì)算模型

以上述地質(zhì)原型為基礎(chǔ)建立計(jì)算模型。單元介質(zhì)總共考慮4種，即基巖（侏羅系上統(tǒng)遂寧組），土層1（高液限粘土CH），土層2（低液限粘土CL），路堤填土。考慮到荷載作用效應(yīng)，左右側(cè)邊界應(yīng)距路基中心線相對較遠(yuǎn)，本次計(jì)算均取距路基中心線60m作為邊界，兩側(cè)邊界設(shè)為水平位移約束。

取基巖埋深20m處為底部邊界，底部邊界設(shè)為水平和豎向位移約束。

建立了如圖2所示的計(jì)算模型。

圖2 K38＋820斷面FLAC－2D模型Fig.2 FLAC－2Dmodel of K38＋820section

2.3 本構(gòu)模型及計(jì)算參數(shù)

K38＋820斷面的各土層和路堤填土的物理力學(xué)參數(shù)由工程類比以及類似斷面沉降監(jiān)測成果反演得出，見表1。反演得出的數(shù)據(jù)為復(fù)合地基的物理力學(xué)參數(shù)，因此不單獨(dú)考慮碎石樁處理。

模擬軟土采用FLAC－2D提供的WIPP粘塑性蠕變模型，路堤采用摩爾－庫倫模型模擬，基巖采用彈性模型。WIPP粘塑性蠕變模型中，需要定義14個參數(shù)。地基土層粘塑性模型參數(shù)見表2，還有7個參數(shù)典型經(jīng)驗(yàn)值見表3。區(qū)域的年平均氣溫為17.4℃，計(jì)算時取17℃。

表1 K38＋820斷面地基和路基填土物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of the roadbed and the embankment soil for K38＋820section

表2 地基土各層模型參數(shù)Table 2 Model parameters for the soil layers of the roadbed

表3 WIPP模型參數(shù)典型值Table 3 Typical parameters of WIPP model

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 正常情況（填筑高度一層為30cm）

首先計(jì)算初始應(yīng)力。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)的基本規(guī)律相符，所以初始應(yīng)力計(jì)算比較合理，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行路堤分層填筑計(jì)算。每層填筑厚度為30cm，共進(jìn)行27層筑。可獲得每層填筑完成時的計(jì)算結(jié)果。為了敘述方便，僅選擇代表性結(jié)果進(jìn)行分析。

當(dāng)填筑至3層時，即填筑高度為0.9m，豎向位移云圖如圖3所示，地基表面沉降如圖4所示。

從豎向位移云圖可以看出，地基的沉降呈不均勻分布，其中沉降量最大處位于路堤左側(cè)坡腳附近，與軟土地基水平情況下沉降的對稱分布不同。在地基表面沉降圖中，累積沉降量最大值為16cm左右（包含在原始自重應(yīng)力場下的沉降量約為15cm），位于左側(cè)偏離路堤中心線20m左右處。

圖3 豎向位移云圖Fig.3 Vertical displacement nephogram

圖4 地基表面沉降圖Fig.4 Settlement of the roadbed surface

當(dāng)填筑完成路堤高度為8.1m時，也即是說填筑27層時，豎向位移云圖如圖5所示，地基表面沉降如圖6所示。

從豎向位移云圖可以看出，地基的沉降呈不均勻分布，與圖3相比，沉降較大區(qū)域范圍向路基右側(cè)延伸，且范圍輪廓趨緩，路基沉降量最大處仍位于路堤左側(cè)坡腳附近，路堤兩側(cè)坡腳有少量的隆起。在地基表面沉降圖中，累積沉降量最大值為28cm左右（包含在原始自重應(yīng)力場下的沉降量約為15 cm），位于左側(cè)偏離路堤中心線15m左右處。

圖5 豎向位移云圖Fig.5 Vertical displacement nephogram

圖6 地基表面沉降圖Fig.6 Settlement of the roadbed surface

根據(jù)計(jì)算過程圖可以分析出，隨著路堤填筑高度的增加，沉降量不斷增大，沉降較大點(diǎn)向路基中心點(diǎn)遷移。沉降表現(xiàn)的非對稱性可能與軟基層的非水平有關(guān)。

3.2 異常情況（填筑高度一層為2.0m）

與正常情況相同，計(jì)算其初始應(yīng)力后，進(jìn)行分層填筑計(jì)算。

當(dāng)填筑完成時高度為8.1m，也即是說填筑4層時，豎向位移云圖如圖7所示，地基表面沉降如圖8所示。

從圖中可以得出，地基表面沉降曲線形狀大致呈凹槽狀，與正常情況大致相同。累積沉降量最大值也為28cm左右，與正常情況相差不大。

圖7 豎向位移云圖Fig.7 Vertical displacement nephogram

圖8 地基表面沉降圖Fig.8 Settlement of the roadbed surface

3.3 超常情況（填筑高度一層為5.0m）

與正常情況相同，計(jì)算其初始應(yīng)力后，進(jìn)行分層填筑計(jì)算。

當(dāng)填筑完成時高度為8.1m，也即是說填筑2層時，豎向位移云圖如圖9所示，地基表面沉降如圖10所示。

圖9 豎向位移云Fig.9 Vertical displacement nephogram

從圖中可以得出，地基表面沉降曲線形狀大致呈凹槽狀，與正常情況大致相同。最終沉降量最大值也為28cm左右，與正常情況相差不大。根據(jù)計(jì)算過程可以分析出，沉降最大點(diǎn)的變化規(guī)律與正常情況大致相同。

圖10 地基表面沉降Fig.10 Settlement of the roadbed surface

3.4 結(jié)果分析

抽取上述3種情況中路基中心點(diǎn)位置的沉降模擬結(jié)果，得出填筑高度與沉降量關(guān)系曲線如圖11所示。從圖中可以看出，3種情況的沉降量均隨填筑高度的增加而變大，但最終沉降量大致相同，因此，可以推斷出，填筑速率對軟土路基的最終沉降量無太大影響。

圖11 填筑速率－最終沉降量關(guān)系曲線Fig.11 Relation curve of filling rate and final settlement

根據(jù)模擬結(jié)果分析，可以得出填筑速率與沉降速率的關(guān)系曲線如圖12所示。從圖中可以看出，當(dāng)填筑速率為0.3m/d時，沉降速率為0.006 7m/d；填筑速率為2.0m/d時，沉降速率為0.045m/d；填筑速率為5.0m/d時，沉降速率為0.09m/d。由此可以得出，填筑速率越大，沉降速率越大，并且速率增長率越大。

4 認(rèn)識和結(jié)論

通過對同一斷面不同填筑速率條件下沉降的數(shù)值模擬分析，總結(jié)得出如下認(rèn)識和結(jié)論：

圖12 填筑速率－沉降速率關(guān)系曲線Fig.12 Relation curve of filling rate and settling rate

（1）對于地層有一定傾角的軟土路基，沉降等值線并不以路堤中心線為軸對稱分布，最大沉降量不出現(xiàn)在路堤中心線上，可能向地層反傾向方向偏離。這對傾斜巖層地區(qū)軟基監(jiān)測布置及結(jié)果的分析具有一定的指導(dǎo)意義。

（2）隨著填筑高度的增加，沉降量不斷增大，最大沉降位置向路堤中心線靠近。

（3）在相同的填筑高度情況下，不同的填筑速率對最終沉降量無太大的影響，但是不同的填筑速率卻對沉降速率有著明顯的影響，填筑速率越大，相應(yīng)的沉降速率越大，并且差異比較明顯，因此填筑速率影響著路堤的穩(wěn)定性以及密實(shí)度。

（4）根據(jù)計(jì)算得出，填筑期沉降量可達(dá)十幾厘米，相對于其他參考文獻(xiàn)所得結(jié)果偏小但與該高速公路現(xiàn)場實(shí)際監(jiān)測結(jié)果比較吻合。分析認(rèn)為可能是因?yàn)樵搱龅剀浕M(jìn)行加固后整體物理力學(xué)性質(zhì)改變，承載能力大大增強(qiáng)有關(guān)。

［1］楊奎清，宋淑啟，張淑坤.某高速公路軟基沉降的ADINA數(shù)值模擬［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報，2007，26（4）：553－554.

［2］左威，涂文靖.填土速率對軟土路基變形影響的數(shù)值分析［J］.華東交通大學(xué)學(xué)報，2010，27（4）：18－21.

［3］毛巨省，秦杏春，唐筱慧，等.軟土路基變形規(guī)律現(xiàn)場試驗(yàn)及FLAC模擬研究［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報，2009，29（6）：294－298.

［4］李慶園，任建喜，劉慧，等.軟土路基變形規(guī)律現(xiàn)場監(jiān)測及FLAC模擬研究［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報，2009，29（6）：712－717.

［5］經(jīng)緋，劉松玉，邵光輝.軟土地基上路堤沉降變形特征分析［J］.巖土工程學(xué)報，2001，23（6）：728－730.

［6］劉建華，朱維申，李術(shù)才，等.小浪底水利樞紐地下廠房巖石流變與穩(wěn)定性FLAC3D數(shù)值分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24（14）：2484－2489.

［7］郭豐永，史宇，毛毳，等.高速公路軟土地基沉降的FLAC3D數(shù)值模擬［J］.天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報，2005，11（4）：263－266.

SIMULATING NUMERICALLY THE SOFT ROADBED SETTLEMENT DURING THE EMBANKMENT CONSTRUCTION

Zhao Dan－dan，Peng She－qin
（1.Engineering and Surveying Institute of China Railway Erju Co.LTD.，Chengdu 610032，China；2.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China）

To explore the influence of the embankment filling rate on the settlement and stability of the soft roadbed，a crosssection model is established for a high way and numerical simulations of settlement are done for different embankment filling conditions.The results show the settling rate grows with the greater filling rate and too rapid a filling rate will affect the stability of the roadbed but not so much the final settlement amount.

soft roadbed；settlement；numerical simulation

U416.1

A

1006－4362（2011）04－0083－05

2011－06－21 改回日期：2011－08－23

趙丹丹（1989－ ），女，中鐵二局勘測設(shè)計(jì)院工作。