填沙路基施工過(guò)程中的路堤變形分析

【摘 要】結(jié)合高速公路填沙路基工程背景，對(duì)路基施工過(guò)程進(jìn)行了模擬，探討了安全系數(shù)在施工過(guò)程中的變化情況，分析了填砂路基與復(fù)合式路基填筑過(guò)程地基豎向位移對(duì)比。

【關(guān)鍵詞】填沙路基；模擬；路堤變形

1 工程背景

X高速公路南段(K190+020一K196+930)地處由多條河流沖積、洪積而形成的平原，沿線(xiàn)河流沖積區(qū)第四系覆蓋層較厚(最厚處超過(guò)100m)，其余地段第四系覆蓋層一般不超過(guò)10m，相對(duì)高差不大于5m。X高速公路南段的平均路堤高度在6m左右，最高處達(dá)10m，而且沿線(xiàn)地表的粘土覆蓋層較薄且都是很好的耕地，取土困難是本工程的突出問(wèn)題，所以選用河流兩岸的河砂作為本工程段主要填筑材料。然而，采用河砂進(jìn)行路基填筑同樣也帶來(lái)了新的工程問(wèn)題，例如碾壓工藝問(wèn)題、邊坡防護(hù)問(wèn)題等。本文結(jié)合該項(xiàng)目，對(duì)填沙路基施工過(guò)程進(jìn)行了模擬，探討了安全系數(shù)在施工過(guò)程中的變化情況，分析了填砂路基與復(fù)合式路基填筑過(guò)程地基豎向位移對(duì)比。

2 路基施工過(guò)程的模擬

路堤的填筑過(guò)程，在FLAC中可以通過(guò)分層堆載進(jìn)行模擬。這里，采用高度為10m的路堤為研究對(duì)象，研究高路堤填筑過(guò)程中邊坡穩(wěn)定性的變化情況。

2.1 問(wèn)題描述與模型建立

確定路基斷面形式與填料的類(lèi)型、物理參數(shù)及力學(xué)參數(shù)，本例采用邊坡坡比分別為1:1和1:1.5路基進(jìn)行分析，考慮到施工的實(shí)際情況，河砂由河岸河床采集、裝車(chē)運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)，期間水大量的流失，再根據(jù)河砂的振動(dòng)擊實(shí)曲線(xiàn)，最終確定施工作業(yè)時(shí)河砂的含水率為8%左右，因此本例確定河砂的含水率為8%。這里選用全斷面的路基模型進(jìn)行分析。

2.2 地基初始應(yīng)力計(jì)算

采取地基進(jìn)行材料參數(shù)賦值，并求解，使地基模型產(chǎn)生初始應(yīng)力以模擬路基填筑之前地基的應(yīng)力狀態(tài)。這一過(guò)程中，路堤區(qū)域內(nèi)網(wǎng)格都以空模型填充。

2.3 路堤分層填筑模擬

在上一步已經(jīng)形成初始應(yīng)力狀態(tài)的地基模型上，分層建立路堤模型，如將分層厚度設(shè)為2m。未達(dá)到的路堤高度范圍內(nèi)同樣以空模型賦值。

在路基填筑之前，地基中的應(yīng)力等值線(xiàn)呈水平分布狀態(tài)(圖1 )，對(duì)于地面線(xiàn)水平的地基，這是符合實(shí)際情況的。隨著路基逐漸填筑到設(shè)計(jì)標(biāo)高，整個(gè)路基模型內(nèi)部的應(yīng)力等值線(xiàn)明顯發(fā)生彎曲，但是隨著地基深度的增加，應(yīng)力等值線(xiàn)的彎曲程度減小，表明修筑路基引起的附加應(yīng)力對(duì)地基的作用減小，這種現(xiàn)象符合圣維南原理。這里，模型中的豎向應(yīng)力等值線(xiàn)的彎曲現(xiàn)象較為一致，都趨向于路基坡面與頂面形成的輪廓線(xiàn)，但是水平應(yīng)力等值線(xiàn)的變化有些差異，這是由于路基堆載過(guò)程中，使坡腳位置的土體產(chǎn)生不同程度位移，導(dǎo)致局部土體受擠壓的程度不同。

3 安全系數(shù)在施工過(guò)程中的變化情況

按照強(qiáng)度折減法計(jì)算的施工過(guò)程中的Fs結(jié)果如圖2所示。

圖2反映了填砂路基在施工過(guò)程中，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)Fs隨著路基的填筑高度逐漸升高而變化的趨勢(shì)(計(jì)算采用的分層厚度為2m。圖中對(duì)比了坡比分別為1:1與1:1.5的路基，由趨勢(shì)線(xiàn)看出，F(xiàn)s值隨著路基填筑高度逐漸增大而明顯下降，并且.，隨著路堤的升高，下降的趨勢(shì)變緩。然而，不同包邊厚度情況下，F(xiàn)s的變化曲線(xiàn)幾乎重合，坡比為1:1.5時(shí)表現(xiàn)尤為明顯，但是路基坡比為1:1的的趨勢(shì)線(xiàn)在填筑高度低于6m時(shí)，還可以較清晰的分辨出不同包邊厚度影響下的曲線(xiàn)。

路堤堆載過(guò)程中，基底豎向位移和坡腳側(cè)向位移影響著路堤的安全系數(shù)，為此，需要對(duì)其變化情況予以計(jì)算分析，結(jié)果分別如圖3所示。

(a)路堤堆載過(guò)程中基底豎向位移

(b)路堤堆載過(guò)程中坡腳側(cè)向位移

由圖3(a)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在原地面處進(jìn)行路基填筑時(shí)，地面線(xiàn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)沉降盆，形成的剖面曲線(xiàn)近似于直線(xiàn)，整個(gè)沉降盆的最大曲率在靠近破腳的位置出現(xiàn);隨著填筑高度逐漸升高，沉降變形增大，沉降盆底部的曲率也增大，并最終在沉降盆底部形成最大曲率。而圖3（b）則表明，在路基填筑過(guò)程中，路基邊坡坡腳的側(cè)向位移隨著填筑高度的增加而以指數(shù)函數(shù)的規(guī)律增大，并且，坡比與包邊厚度的變化不會(huì)改變這種增長(zhǎng)規(guī)律性。另外，當(dāng)邊坡坡度較小時(shí)(1:1.5)，隨著包邊厚度的變化，坡腳側(cè)向位移隨著填筑高度變化的趨勢(shì)線(xiàn)幾乎呈等間距分布，但是，當(dāng)邊坡坡度較大時(shí)(1:1)，隨著包邊厚度的變化，趨勢(shì)線(xiàn)隨著填筑高度的增加，分布間距逐漸變大，這也表明，當(dāng)邊坡較陡時(shí)，坡腳側(cè)向位移對(duì)于包邊厚度非常敏感。由圖中的趨勢(shì)線(xiàn)規(guī)律發(fā)現(xiàn)，包邊對(duì)于填砂路基有明顯的收縮坡腳的作用。

4 填砂路基與復(fù)合式路基填筑過(guò)程地基豎向位移對(duì)比

圖4中反映了坡比為1:1的填砂路基與兩種復(fù)合式路基在施工過(guò)程中基底豎向位移變化的對(duì)比情況，圖中僅繪制出了填筑到設(shè)計(jì)高度之后的沉降曲線(xiàn)。每填筑2m砂層加鋪一層50cm的風(fēng)化料形成的復(fù)合式路基(簡(jiǎn)稱(chēng)(4:1)型復(fù)合式路基)，填筑完成之后基底豎向位移分布曲線(xiàn)幾乎與填砂路基的重合，但是砂層與風(fēng)化料層等厚間隔填筑形成的復(fù)合式路堤(簡(jiǎn)稱(chēng)(1:1)型復(fù)合式路基)底部豎向位移分布曲線(xiàn)明顯低于另兩種路堤。

圖4 填砂路基與復(fù)合式路堤基底豎向位移對(duì)比

(注:標(biāo)注中的4:1(1:1)表示砂層厚度:風(fēng)化料一層厚度為4:1(1:1)，風(fēng)化料層厚度為50cm)

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)路基分層堆載的方式模擬路基的施工過(guò)程，凡值隨著填筑高度先出現(xiàn)急劇下降的趨勢(shì)，而后趨勢(shì)逐漸減緩，整條趨勢(shì)線(xiàn)有些類(lèi)似于二次拋物線(xiàn)的形式。研究填筑過(guò)程中Fs值與邊坡坡腳的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，兩者之間有顯著的如下冪函數(shù)關(guān)系:Fs= AuB，其中u表示坡腳的側(cè)向位移， A， B分別為待定系數(shù)。在填筑過(guò)程城中，包邊對(duì)于安全系數(shù)的影響并不大，影響范圍在0.05以?xún)?nèi)，但是包邊厚度增加可以明顯使路堤的坡腳收縮。

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