基于PFC的軟土路基拋石擠淤過程的數(shù)值計算研究

范曉秋　劉鑫

摘 要：以某高速公路拋石擠淤項目為依托，運(yùn)用PFC顆粒流軟件分析了石塊粒徑、淤泥混砂軟土層的淤泥含量、路基自身荷載3種因素對拋石擠淤深度的影響，并計算了拋石擠淤后擠淤層的等效力學(xué)參數(shù)。研究結(jié)論表明：石塊粒徑、淤泥混砂軟土層的淤泥含量、路基自身荷載是影響拋石擠淤處理深度的重要因素，且呈正相關(guān)關(guān)系。良好的拋填塊石級配、在擠淤層上施加外部荷載能夠提高拋石擠淤效果。

關(guān)鍵詞：軟土路基 拋石擠淤深度 PFC軟件

中圖分類號：TU45 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（c）-0081-04

拋石擠淤是用來處置軟土路基的一種常用方法。軟土廣泛分布于我國河口盆地、山谷海濱等低洼地帶，具有壓縮性高、含水量大、抗剪強(qiáng)度低及靈敏度高等特點(diǎn)，是修筑路橋時經(jīng)常會遇到的不良地質(zhì)環(huán)境。拋石擠淤法可通過向軟弱路基拋填石塊，利用石塊自重和一定外力擠開淤泥，并形成排水通道排除土體內(nèi)多余水分，石塊間剩余淤泥則會和石塊膠結(jié)以改變路基性狀，提高軟土路基的承載力[1-3]。然而，由于拋石擠淤的發(fā)生過程及處置結(jié)果不可直接觀測，理論計算和室內(nèi)試驗太過繁瑣，對擠淤效果的評估成為設(shè)計施工人員需要面臨的重要問題。

近年來，基于離散單元法的PFC顆粒流軟件在巖土工程領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用[4]。王玉鎖[5]等通過建立PFC落石沖擊模型及計算工況，研究了落石在垂直下落條件下的沖擊力。湯保新[6]等利用PFC3D軟件模擬室內(nèi)直剪試驗，提出一種通過不斷調(diào)整的值以擬合室內(nèi)直剪試驗結(jié)果的細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定方法。楊杰[7]等基于PFC顆粒流軟件對堆石料進(jìn)行了一系列數(shù)值試驗，分析了數(shù)值試驗結(jié)果與室內(nèi)試驗結(jié)果之間的差異，并建立了宏觀參數(shù)和顆粒細(xì)觀參數(shù)之間的關(guān)系。由此可見，PFC顆粒流軟件在巖土塊石和土工試驗?zāi)M方面都積累了豐富的研究經(jīng)驗，卻并未在拋石擠淤深度及擠淤層的等效力學(xué)參數(shù)計算方面做出相關(guān)研究。

本文以某軟土路基處理為項目依托，運(yùn)用PFC軟件模擬軟土路基拋石擠淤的動態(tài)處理過程，分析不同影響因素對擠淤深度的影響，并計算擠淤層的等效力學(xué)參數(shù)。

1 工程概況

1.1 項目概況

該高速公路項目全長15.572km，主線軟基分布長約5196m，占路線總長約21.9%。軟土主要零星分布于河谷、溝谷、盆地走廊帶及山間洼地等第四系地層中，路線所經(jīng)區(qū)域主要以低緩丘陵為主。本項目軟土多為淺層軟土，埋深普遍在9m以內(nèi)，主要為淤泥混砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土等淤泥類軟土及軟塑狀粘性土等非淤泥類軟土組成。

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)鉆探及室內(nèi)土工試驗結(jié)果揭示，路段區(qū)分布的主要地層為第四系沖洪積層、坡積層、殘積層和白堊系下統(tǒng)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖。山間溝谷洼地局部分布淤泥混砂軟土層，整個軟土層形狀呈現(xiàn)平行山坡方向遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫跨山坡方向尺度；平行山坡方向的軟土層厚度變化相對較小，而橫跨山坡方向的軟土層厚度變化較大。從整體方面看，軟弱土層厚薄不均勻、本身坡度較大，其厚度一般在0.5～9.0m之間，其性質(zhì)主要表現(xiàn)為含水量高、孔隙比大、壓縮性高、滲透性差、固結(jié)時間長等。

2 拋石擠淤深度模擬計算

PFC2D程序以離散元方法為基礎(chǔ)，以剛性圓盤或圓球為基本單元，利用基本單元的運(yùn)動和相互作用來模擬相關(guān)聯(lián)的實際問題，尤其適合巖土工程問題的模擬計算。

2.1 影響因素確定

由于石料拋填工況的復(fù)雜性，會有諸多因素對拋石擠淤深度造成影響。在分析施工過程及整理地勘資料的基礎(chǔ)上，歸納出了石塊粒徑、淤泥混砂軟土層的淤泥含量、路基自身荷載3種因素。因為工程區(qū)域淤泥混砂軟土層較厚，故本次模擬不考慮穿透淤泥混砂軟土層的情況，僅考慮上述3種因素對拋石擠淤處理淤泥混砂軟土層深度的影響。

2.2 計算參數(shù)選取

顆粒流的細(xì)觀模擬原則是通過改變顆粒單元機(jī)器集合體的細(xì)觀力學(xué)性質(zhì)，使之逼近材料的宏觀力學(xué)參數(shù)。首先根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘探報告和施工階段有關(guān)單位提供的地質(zhì)資料，并查閱其他類似地區(qū)地質(zhì)資料，通過綜合分析可確定各地層土體物理參數(shù)（如容重、含水率、壓縮系數(shù)、滲透系數(shù)等）。然后采用數(shù)值模擬試驗對實際材料進(jìn)行計算，在計算時需要不斷調(diào)整數(shù)值試驗的輸入顆粒細(xì)觀參數(shù)，使數(shù)值計算結(jié)果與物理試驗和現(xiàn)場勘探結(jié)果相吻合，最終可確定計算所需參數(shù)[8]。

2.3 計算模型建立

2.3.1 幾何尺寸

根據(jù)路基填筑高度、處理形式、軟土層厚度等確定最具有代表性的斷面即典型斷面，按施工設(shè)計圖標(biāo)注選取計算斷面K12+270的幾何尺寸。模型計算寬度是根據(jù)應(yīng)力影響范圍，通過預(yù)備性數(shù)值模擬計算來確定。路基最高填筑高度為16.3m、路基頂寬11.6m，考慮消除模型邊界尺寸的影響，即：計算模型寬度取125m（7.67倍路基填筑高度）。地質(zhì)勘察報告揭示，計算土層分布自上而下為：0～6.0m厚淤泥混砂層，0～3.0m厚粉砂，0～1.2m厚殘積土，0～0.7m厚全風(fēng)化花崗巖，底層為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。

2.3.2 邊界條件

水位線取位于地勘資料中標(biāo)注的設(shè)計最高水位，計算模型左、右邊界水平方向位移為零，豎直方向允許發(fā)生變形，下邊界水平、豎直方向位移均為零，并阻止水的滲流。根據(jù)設(shè)計資料先確定路基各邊界長度及位置如圖1所示。

2.3.3 模型建立

對于PFC模擬石料拋填的過程，為便于計算淤泥混砂、粉砂及石塊等大型顆粒，計算中均選用ball基本單元。顆粒單元的排列模式選用半徑擴(kuò)大法，先將全部目標(biāo)顆粒的半徑統(tǒng)一的縮小，使用GENERATE命令生成指定個數(shù)的顆粒，然后再將所有顆粒的半徑按照一定比例統(tǒng)一進(jìn)行放大，使顆粒“復(fù)原”，如圖2所示。

2.4 計算結(jié)果

以上述模型為基礎(chǔ)，采用控制變量法，分別計算不同影響因素變化時對拋石擠淤深度的影響。