山碴石填料路基沉降數(shù)值模擬研究

韓治勇， 方金苗， 李偉強(qiáng)

(1.皖西學(xué)院 建筑與土木工程學(xué)院， 安徽 六安 237012； 2.安吉城市投資集團(tuán)有限公司， 浙江 安吉 313300)

0 引 言

山碴石作為山皮石中含石量較高的土石混合料，具有含石量高、石料強(qiáng)度大，并含有部分土質(zhì)、砂粒等細(xì)集料，廣泛存在于各類山體開采區(qū)[1].如能將儲存量如此之大的山碴石填料運(yùn)用于需求巨大的公路建設(shè)工程中，既能顯著消耗山碴石儲存量，緩解環(huán)境破壞的壓力，又能替代常規(guī)的土質(zhì)填料，從再生利用等綠色理念考慮，無疑會(huì)給公路建設(shè)帶來極大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益.目前，國內(nèi)外學(xué)者對山碴石類似土石混合料做了大量的研究，并取得了豐碩的成果[2-7].基于此，本研究擬在土石混合料的相關(guān)研究基礎(chǔ)上，針對皖北地區(qū)山碴石填料的路用性能，從數(shù)值模擬角度對山碴石填料路基沉降進(jìn)行分析，擬為類似公路工程建設(shè)提供參考.

1 山碴石路用性能數(shù)值模型

1.1 基本假定與模型建立

根據(jù)巖土體性質(zhì)及其組成，利用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，本研究采用FLAC3D建立山碴石路基計(jì)算模型如圖1所示.Mohr-Coulomb模型參數(shù)如表1所示.為了減少計(jì)算時(shí)間，取地基模型深度方向的厚度為6 m，模型的長×寬×高為12 m×5 m×6 m，地基模型共產(chǎn)生23 040個(gè)單元，29 350個(gè)節(jié)點(diǎn)；山碴石填筑路基模型按照松鋪厚度為0.4 m，寬度5 m作為基礎(chǔ)模型，共產(chǎn)生2 880個(gè)單元，3 675個(gè)節(jié)點(diǎn).模型上部為自由面，側(cè)面和底面均采用固定約束，其中側(cè)面只約束水平方向的位移.由于路基的壓實(shí)工藝采用動(dòng)荷載振沖壓實(shí)，對于土體的加固主要為動(dòng)應(yīng)力，而在土體中動(dòng)應(yīng)力的傳播是以波的形式.為了精確地研究應(yīng)力波在土體中的傳播規(guī)律，網(wǎng)格的尺寸要求小于最小波長的1/10～1/8，計(jì)算模型的單元尺寸邊長取為0.25 m以滿足精度要求.

圖1 地基計(jì)算模型示意圖

1.2 邊界條件

通常，初始地應(yīng)力場的存在和影響不容忽略，它既是影響巖體力學(xué)性質(zhì)的重要控制因素，也是巖體所處環(huán)境條件發(fā)生改變時(shí)引起變形和破壞的重要原因之一.同時(shí)，仿真模型的尺寸不可能無限大.因此，要想比較真實(shí)地進(jìn)行工程模擬仿真，除了保證初始地應(yīng)力場的可靠性外，還要選取合適的邊界條件.初始地應(yīng)力場生成的主要目的是為了模擬土體已存在的應(yīng)力狀態(tài)，而邊界條件則是更好地實(shí)現(xiàn)仿真所必須.

本研究假定巖土體為均質(zhì)、連續(xù)的各項(xiàng)同性體，則巖土體的自重應(yīng)力場為，

σz=γ·H

(1)

(2)

式中，μ為泊松比；H為巖體至地表的距離，m；γ為上覆巖層容重，N/m3；σx、σy、σz分別為X、Y、Z方向的自重應(yīng)力場，MPa.

因本計(jì)算模型考慮了足夠的邊界效應(yīng)，故模型底面和四周均受鏈桿約束，頂面受荷載約束，即X軸邊界限制X方向移動(dòng)，Y軸邊界限制Y方向的移動(dòng)，Z軸(鉛垂方向即深度方向)下邊界限制Z方向移動(dòng)，上邊界地表為自由面.

2 數(shù)值模擬分析

2.1 振動(dòng)碾壓下路基應(yīng)力場和位移場變化規(guī)律

鑒于試驗(yàn)段路基是在施工過程中一次填筑完成，且填筑高度為40 cm.故，本文后續(xù)數(shù)據(jù)分析時(shí)出現(xiàn)的h=0.4 m含義是，填筑路基的底面到山碴石路基表面的高度.同時(shí)，在仿真模擬強(qiáng)振碾壓下路基應(yīng)力場和位移場的變化規(guī)律時(shí)，只考慮在路基表面施加1次強(qiáng)振荷載(強(qiáng)振其沖擊力取150 kN，其碾壓速率為2，振動(dòng)頻率取30 Hz)來模擬路基振動(dòng)碾壓的過程，由于振動(dòng)沖擊的時(shí)間很短，不考慮沖擊碾壓后土體的固結(jié)，故只計(jì)算1次沖擊作用下動(dòng)力響應(yīng)和位移的變化.在振動(dòng)荷載作用下，山碴石填土路基在不同深度處的土體受1次沖擊碾壓時(shí)動(dòng)應(yīng)力的時(shí)程曲線如圖2所示.

圖2不同深度動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線

由圖2可以看出，土體單元?jiǎng)討?yīng)力均出現(xiàn)2個(gè)應(yīng)力波峰，第1波峰持續(xù)時(shí)間較長，為0.025 s，第二波峰持續(xù)時(shí)間較短.第二波峰主要是由在不同土層接觸面之間波的反射造成， 當(dāng)沖擊波到達(dá)山碴石填土路基和地基的接觸面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射波.路基表面(h=0.4 m)在沖擊碾壓荷載作用下的最大峰值動(dòng)應(yīng)力為318 kPa，出現(xiàn)在0.014 s，而山碴石路基表面以下0.4 m(h=0 m)處的峰值動(dòng)應(yīng)力為56 kPa，出現(xiàn)在0.017 s，說明沿深度方向峰值動(dòng)應(yīng)力急劇減小.同時(shí)可見，通過沖擊碾壓的方式來加固山碴石路基，其沖擊能量大部分作用于填土路基(填土高度為0.4 m).對于現(xiàn)場施工而言，由于填土地基經(jīng)過靜壓處理，較為密實(shí)，而路基土體較為疏松，此時(shí)大部分沖擊能被路基土體吸收，用來壓縮固結(jié).所以對于山碴石地基，后期碾壓所導(dǎo)致的沉降主要為路基土體的壓縮沉降量.

為研究沖擊碾壓的加固范圍，根據(jù)土力學(xué)中對有效加固深度的規(guī)定，對于軟土和一般土來說，附加應(yīng)力分別取自重應(yīng)力的10%和20%.由于粉黏土屬于一般土，有效加固深度的臨界值取為后者較大值(即取動(dòng)應(yīng)力和自重應(yīng)力的比值為20%).動(dòng)應(yīng)力沿深度方向的變化曲線如圖3所示.通常，動(dòng)應(yīng)力曲線與0.2倍自重應(yīng)力線的交點(diǎn)即為加固范圍的臨界點(diǎn)，即沖擊加固的有效深度約為3.8 m.

圖3動(dòng)應(yīng)力沿深度變化曲線

從圖3可以看出，動(dòng)應(yīng)力沿深度方向衰減很快且大致呈直線衰減，當(dāng)沖擊加載時(shí)間為0.01 s和0.02 s時(shí)，應(yīng)力等值線有交叉點(diǎn)且都比0.015 s的應(yīng)力值小，此和圖2的變化規(guī)律一致.

不同深度處的土體經(jīng)1次沖擊碾壓后的豎向位移時(shí)程曲線如圖4所示.

圖4不同深度下豎向位移時(shí)程曲線

從圖4可以看出，山碴石路基在其表面處的沉降值最大，同時(shí)豎向位移隨著時(shí)間的增加近似呈線性增加，豎向位移達(dá)到最大值后有較小的回彈，主要是因?yàn)樯讲晔钔谅坊婚_始時(shí)呈較為松散的狀態(tài)，此時(shí)的山碴石路基可以在極短的時(shí)間內(nèi)被沖擊壓密.由于作用時(shí)間很短，土顆粒之間的力的傳遞滯后于沖擊波的傳遞，所以當(dāng)外部碾壓結(jié)束之后，在數(shù)值模型中土體會(huì)繼續(xù)有一定的沉降值.填土路基表面在1次沖擊碾壓荷載作用下的最終位移為3.2 cm，且在0.035 s時(shí)出現(xiàn).由此可知，位移沿深度方向的傳遞規(guī)律和動(dòng)應(yīng)力相似，且隨著深度的增加，土體位移出現(xiàn)峰值的時(shí)間相對滯后.

在振動(dòng)碾壓作用下，不同深度處的豎向位移沿徑向變化的曲線如圖5所示.

圖5豎向位移沿徑向分布曲線

從圖5可以看出，不同深度處路基的豎向位移沿徑向變化的規(guī)律基本相同.在振動(dòng)碾壓作用下，沉降與徑向距離呈負(fù)相關(guān)，且衰減速率呈先快后緩，越靠近振動(dòng)碾壓的部位，沉降值越大.

2.2 山碴石填土路基沉降云圖

本研究根據(jù)試驗(yàn)段的施工參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的碾壓施工以及路基分層填筑，每層填筑的高度為40 cm.首先，采用自重25T的重型振動(dòng)壓路機(jī)穩(wěn)壓1遍，后弱振2遍、強(qiáng)振4遍，最后用18～21 T三輪壓路機(jī)靜壓，直至壓實(shí)合格后停止靜壓.碾壓時(shí)由外側(cè)向中間做進(jìn)退式碾壓，橫向接頭重疊寬度為1～2 m.本模型的動(dòng)力荷載采用簡化的正弦函數(shù)荷載，由于動(dòng)荷載的作用時(shí)間很短，在模擬壓實(shí)的過程中不考慮動(dòng)力壓實(shí)后的土體固結(jié)，只計(jì)算動(dòng)力響應(yīng)和位移變化.碾壓時(shí)，壓路機(jī)碾壓速度控制在2～4 km/h之間，頻率為20～30 Hz左右.

山碴石填土自重作用下的路基沉降云圖如圖6所示.

從圖6中可以看出，其最大沉降值為1 mm，所以對于山碴石填土路基而言，其自重引起的路基沉降可以不計(jì).

3 沉降影響因素分析

山碴石路基碾壓完成的標(biāo)準(zhǔn)為路基表面外觀無明顯輪跡.故本研究填筑時(shí)結(jié)合水準(zhǔn)儀沉降量檢測壓實(shí)效果，用振動(dòng)壓路機(jī)強(qiáng)振2遍碾壓沉降量不大于2 mm.現(xiàn)場碾壓中往往會(huì)出現(xiàn)個(gè)別路段最終的碾壓沉降差大于2 mm，從而產(chǎn)生沉降不均勻的現(xiàn)象.

圖6自重作用下路基沉降云圖

3.1 填料分層厚度

為研究填料分層松鋪碾壓對路基壓實(shí)效果的影響，在試驗(yàn)中，對于山碴石路基松鋪選取3種分層方案：方案1，一次松鋪60 cm；方案2，2層松鋪，每次30 cm；方案3，3層松鋪，每次20 cm.為保證每種方案總的碾壓荷載相同，選取6遍靜壓，其中，方案2每松鋪一層碾壓3遍；方案3每松鋪一層碾壓2遍.

碾(靜)壓和6遍碾壓之后路基的沉降云圖如圖7所示，不同填料分層厚度路基碾壓累計(jì)沉降值如圖8所示.

圖7不同分層厚度路基壓實(shí)沉降云圖

結(jié)合圖7與圖8可以看出，方案1的山碴石路基采用一次松鋪完成，在第3遍靜壓荷載壓實(shí)之后，路基沉降增長值較小，其最終沉降量為7.5 cm.方案2采取2次松鋪完成，每次松鋪完成后，靜壓荷載進(jìn)行3遍壓實(shí)，共6遍碾壓，其最終沉降量較方案1增加1.2 cm.方案3采用3次松鋪完成，每次松鋪完成后，靜壓荷載進(jìn)行3遍壓實(shí)，其最終沉降量較方案1增加1.9 cm.數(shù)據(jù)表明，山碴石路基分層碾壓效果隨分層數(shù)的增加越來越明顯.

圖8不同填料分層厚度路基碾壓累計(jì)沉降值

3.2 山碴石填料參數(shù)

對于山碴石路基填筑工程來說，實(shí)際工程地質(zhì)條件或者施工環(huán)節(jié)的影響會(huì)導(dǎo)致填筑時(shí)山碴石顆粒的不均勻，不同路段的山碴石路基填土的特性通常存在一定差異，在土體物理參數(shù)上則表現(xiàn)為路基土的粘聚力和彈性模量存在一定程度的差別，由于山碴石路基主要為顆粒狀，粘聚力本身較小，這里就不做考慮.為研究其對山碴石路基不同路段的壓實(shí)效果，有必要在仿真模型中改變土體的物理參數(shù)，對不同材料特性的山碴石碾壓總沉降進(jìn)行分析計(jì)算.不同彈性模量下，經(jīng)過8次碾壓作用下的位移沉降如圖9所示.

圖9不同彈性模量對路基豎向位移影響

由圖9可知，彈性模量分別為30 MPa、40 MPa、50 MPa時(shí)，對應(yīng)的最終沉降分別為8.2 cm、7.8 cm、7.4 cm.數(shù)據(jù)表明，隨著土體彈性模量的增加，山碴石填土路基沉降量的下降幅度較大.彈性模量由30 MPa變化至50 MPa時(shí)，最大沉降量變化范圍達(dá)到9.8%，可見，路基彈性模量對于山碴石填土路基沉降影響較大.因此，在實(shí)際路基施工過程中，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范對路基填料的彈性模量等物理參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測定，以保證路基填筑壓實(shí)的穩(wěn)定.

4 結(jié) 論

在試驗(yàn)中，填土路基表面在一次沖擊碾壓荷載作用下的最終位移為3.2 cm，且在0.035 s時(shí)出現(xiàn).位移沿深度方向的傳遞規(guī)律和動(dòng)應(yīng)力相似，且隨著深度的增加，土體位移出現(xiàn)峰值的時(shí)間相對滯后.同時(shí)，試驗(yàn)中，山碴石路基采用一次松鋪完成，在第3遍靜壓荷載壓實(shí)之后，路基沉降增長值較小，其最終沉降量為7.5 cm；采取2次松鋪完成，每次松鋪完成后，靜壓荷載進(jìn)行3遍壓實(shí)，共6遍碾壓，其最終沉降量為8.7 cm；采用3次松鋪完成，每次松鋪完成后，靜壓荷載進(jìn)行3遍壓實(shí)，其最終沉降量較方案1增加9.4 cm.說明山碴石路基分層碾壓效果隨分層數(shù)的增加越來越明顯.當(dāng)彈性模量分別為30 MPa、40 MPa、50 MPa時(shí)，對應(yīng)的最終沉降分別為8.2 cm、7.8 cm、7.4 cm.說明隨著土體彈性模量的增加，山碴石填土路基沉降量的下降幅度較大.彈性模量由30 MPa變化至50 MPa時(shí)，最大沉降量變化范圍達(dá)到9.8%，可見路基彈性模量對于山碴石填土路基沉降影響較大.本研究表明，合理進(jìn)行施工壓實(shí)操作，對提高山碴石類似路基施工沉降具有重要的指導(dǎo)意義.