考慮V形沖溝三維效應的高填路堤變形特性研究

卞正榮

(上海隧道工程質量檢測有限公司， 上海 201109)

山地丘陵地區地質復雜、地形起伏多變，高填路堤建設與運營期的變形特性對工程建設安全與質量有著重要影響。許多學者通過數值模擬和現場監測等方法對復雜地形因素下高填路堤變形規律展開了研究，如Anand J.等依托克萊伯恩市67號公路工程，基于雙曲線模型對EPS土工泡沫塑料路堤進行沉降監測，并通過數值模擬合理預測路堤變形；侯亞玲等針對山西某黃土填料高填路堤，通過室內試驗，結合二維有限元計算與現場實測數據比較分析，提出路堤沉降計算方法；李占鋒以西北地區某山區高速公路為對象，結合現場實測數據和有限元法對不同高填土路基沉降影響因素進行分析，研究高填路基沉降變化特征；孫笑等通過對某高填路堤不同斷面的二維數值模擬，得到典型斷面高填路堤的沉降變形規律，并分析了黏土路基經過石灰土換填后的沉降變形情況；Wu P.等基于UH模型，以OCR為控制參數建立軟弱地基巖土層數值模型，研究統一硬化模型下土石混合體的沉降變形；李忠友等借助三維有限元模擬，對某高填路堤及其支擋結構進行數值模擬；丁靜聲等基于強度折減法，對不同地形條件下V形沖溝路堤進行穩定性分析，認為該類路堤的三維效應不可忽略；徐佩華等對折線地基上高填石路堤的變形和穩定性進行三維數值仿真，分析高烈度區浸水高填石路堤變形規律；薛新華等以成昆(成都—昆明)線攀枝花南站昔格達層高填方路堤工程為依托，利用ABAQUS軟件建立三維整體有限元模型，分析分層填筑中路堤的沉降變形規律。若考慮高填路堤所在地形的三維效應，高填路堤將呈現獨特的變形特性，但目前對這類問題的研究尚不完善。該文以杭紹臺(杭州—紹興—臺州)高速公路(臺州段)擴建工程為依托，通過正交試驗，考慮V形沖溝三維效應，對高填路堤建設期的沉降變形與側移變形展開研究，為V形沖溝條件下高填路堤設計和施工提供借鑒。

1 V形沖溝條件下高填路堤變形特性

1.1 工程概況

杭紹臺高速公路(臺州段)地處東南沿海，為山嶺重丘區，屬東南亞熱帶氣候，區內植被茂密，雨水充沛。線路呈南東-北西向展布，由東向西穿過博平嶺。總體地勢東南低、西北高，海拔為110～310 m，高程最大為340 m，海拔最低處約60 m，相對高差一般為40～190 m。全長27.7 km，為雙向八車道，設計時速80 km/h。考慮挖填方平衡問題，線路共設計20余處高填路堤段，途經多處V形沖溝等特殊地形。

1.2 V形沖溝條件下高填路堤數值模型

以ZK64+200—800穿越某小型V形沖溝的典型高填路堤為工程原型，在FLAC3D數值平臺上對其填筑過程展開數值模擬，探討V形沖溝條件下高填路堤的變形特性。數值模型見圖1，其中x軸為線路延展方向，總長220 m；y軸為V形沖溝縱深方向，總寬95 m；z軸為豎直方向，總高64 m。數值模型從下到上依次為深部地層(中風化花崗巖)、淺部地基(強～全風化花崗巖殘積土)、路堤本體(殘積土+礫石的混合填料)。路堤填筑前，將沖溝坡面上的虛土清理干凈，數值模擬中可認為路堤本體與淺部地基是緊密連續的(無需采用接觸面單元)。模型共包括37 320個實體單元、40 944個節點。模型頂面與路堤本體取自由邊界，前后面與側面邊界采用法向約束，底面邊界設置為固定約束。

圖1 V形沖溝條件下高填路堤數值模型

巖土體均采用MC本構模型，根據相關設計文件，深部地層、淺部地基及路堤本體的主要物性參數見表1。

表1 巖土體的主要物性參數

1.3 工況及監測點

路堤本體總計填高24 m，按照每層堆填2 m并反復壓實，自下而上共計12種工況。在路堤中心沿高程布置12個測點，觀察各分層沉降變形(z向位移)隨施工步的發展規律；在路堤坡面沿高程布置12個測點，觀察各分層側向變形(y向位移)隨施工步的發展規律(見圖2)。

圖2 測點布置示意圖

1.4 高填路堤變形特性分析

根據數值模擬結果，得到典型V形沖溝條件下高填路堤分層沉降、分層側移隨施工步的發展規律(見圖3、圖4)。

圖3 高填路堤分層沉降

圖4 高填路堤分層側移

由圖3、圖4可知：路堤分層沉降與分層側移均隨施工步(填筑高度)不斷增大，且沿高程方向均呈現中間大、兩頭小的發展形態，與已有結論一致。路堤中部既下伏有較厚的可壓縮土層，又上覆有較大的堆填荷載，全部填筑完畢后，最大分層沉降δmax發生在路堤中部，約為12.6 cm，各分層平均沉降ˉδ約為9.4 cm；最大分層側移ηmax發生在路堤中下部，約為2.5 cm，各分層平均側移ˉη約為1.6 cm。

1.5 與二維地形的對比

若不考慮V形沖溝的三維效應，選取沖溝中心截面(圖2中測點布設所在截面)按二維平面應變假定建立數值模型(見圖5)，模型共計7 040個實體單元、8 404個節點，其地層及主要物性參數、模型邊界條件、工況與監測點布設等均與前述相同。

圖5 二維條件下高填路堤數值模型

根據數值模擬結果，對二維與三維條件下路堤分層沉降及分層側移進行對比，結果見圖6、圖7。

圖6 二維與三維條件下高填路堤分層沉降對比

圖7 二維與三維條件下高填路堤分層側移對比

由圖6～7可知：二維條件下高填路堤的分層沉降及分層側移規律與三維條件下基本一致，數值比三維條件下分別大3%～5%和5%～10%。

2 地形因素對高填路堤變形特性的影響

2.1 地形影響因素

根據V形沖溝的地形特點，其三維特性主要表現在開口角度α、沖溝側坡坡度β、沖溝背坡坡度θ及溝谷均寬W四方面(見圖8)。各因素對高填路堤變形的影響不同，下面通過正交試驗分析各地形因素對高填路堤變形特性的影響。

圖8 V形沖溝的地形因素

2.2 正交試驗設計

將V形沖溝的4個地形因素即開口角度、沖溝側坡坡度、沖溝背坡坡度、溝谷均寬分別命名為因素A、B、C、D，每個因素設置3個水平，采用正交設計方案L9(34)，試驗參數見表2。據此建立不同地形條件下高填路堤三維數值模型，其地層及主要物性參數、模型邊界條件、工況與監測點布設等均與前述相同。對上述9個試驗的數值模擬結果進行分析，以高填路堤分層沉降和分層位移為主要關注點，進行地形影響因素敏感性分析。

表2 正交試驗設計表L9(34)

2.3 地形因素對分層沉降的影響分析

根據數值模擬結果，進行分層沉降極差分析(見表3)，各因素對最大分層沉降和平均分層沉降影響的直觀分析見圖9、圖10。從圖9、圖10可看出：各地形因素對高填路堤最大分層沉降δmax影響的敏感性依次為D>B≈C>A，對平均分層沉降ˉδ影響的敏感性依次為D>B≈A>C。

表3 分層沉降極差分析

分層沉降的方差分析見表4、表5。在置信水平α=0.05的條件(因素顯著性臨界值為19.0)下，對于最大分層沉降，各因素影響均不顯著；對于平均分層沉降，因素D的影響顯著，因素A、B、C影響不顯著。與極差分析結果一致。

圖9 地形因素對最大分層沉降影響的敏感性分析

圖10 地形因素對平均分層沉降影響的敏感性分析

表4 最大分層沉降方差分析

表5 平均分層沉降方差分析

綜上，V形沖溝高填路堤分層沉降主要由溝谷均寬引起，且主要影響平均分層沉降，線路規劃過程中應選取適宜溝谷均寬的沖溝地形。

2.4 地形因素對分層側移的影響分析

分層側移的極差分析見表6，各因素對最大分層側移和平均分層側移影響的直觀分析見圖11、圖12。從圖11、圖12可看出：各地形因素對高填路堤最大分層側移ηmax影響的敏感性依次為D>B>A≈C，對平均分層側移ˉη影響的敏感性依次為D>B>C>A。

表6 分層側移極差分析

圖11 地形因素對最大分層側移影響的敏感性分析

分層側移的方差分析見表7、表8。在置信水平α=0.05的條件下，對于最大分側移，各因素影響均不顯著；對于平均分層沉降，因素C、D的影響顯著，因素A、B的影響不顯著。與極差分析結果一致。

圖12 地形因素對平均分層側移影響的敏感性分析

表7 最大分層側移方差分析

表8 平均分層側移方差分析

綜上，V形沖溝高填路堤分層側移主要由溝谷均寬和沖溝背坡坡度引起，且主要影響平均分層側移，線路跨越沖溝地形時應注意選取合適的溝谷均寬和沖溝背坡坡度。

3 結論

依托杭紹臺高速公路(臺州段)擴建工程，通過正交試驗研究V形沖溝地形條件下高填路堤的變形特性，得到以下主要結論：

(1) 無論是在二維還是三維條件下，高填路堤的分層沉降與分層側移均隨施工步(填筑高度)不斷增大，沿高程方向均呈現中間大、兩頭小的發展形態，且二維條件下高填路堤的分層沉降和分層側移比三維條件下分別大3%～5%和5%～10%。

(2) V形沖溝的三維特性可歸納為開口角度、沖溝側坡坡度、沖溝背坡坡度和溝谷均寬4個地形因素。對于平均分層沉降，溝谷均寬的影響顯著，其余因素不顯著；對于平均分層側移，溝谷均寬和沖溝背坡坡度的影響顯著，其余因素不顯著。V形沖溝地形條件下修筑高填路堤應重點關注溝谷均寬和沖溝背坡坡度。