基于FLAC3D的某高速公路填方路基位移發展規律研究

熊家全

（廣州市交通工程質量監督站，廣州510000）

1 引言

在修建高速公路時，為滿足路線縱橫坡要求，綜合考慮地貌、成本等因素，不可避免地會涉及高填方路基。 如填筑過程控制不當，就易發生不均勻沉降[1]，影響車輛行駛安全及乘車人員的舒適性。 因此，研究分析填方路基工后沉降[2-3]規律顯得尤為必要。

沉降問題是土木工程的經典問題之一[4]。填方路基的豎向位移可分為原地基由于上覆填土體荷載引起的沉降和土體自身壓縮變形兩部分[5]，填方路基的水平位移主要由豎向位移引發的橫向擠壓而形成。 對于原地基沉降計算，目前已經有較多的工程實踐[6]，也有了較深入的研究和討論[7-8]，但對于原地基上覆填土體的壓縮變形，目前尚無較為準確的計算理論，但有大量的數值模擬分析案例，在所有的強度理論中，摩爾-庫侖強度理論[9]計算理論相對較為簡單，結果也能較好地反映工程實際，該理論為廣大巖土工程技術人員所接受[10]。

本文以前人研究成果為基礎， 以廣州某高速公路項目為依托，運用FLAC 3D 軟件建立高填方路基計算模型，然后應用摩爾-庫倫本構關系對不同填土高度、填土模量、填土密度及地基土模量進行豎向與水平位移模擬， 以期獲取相應的沉降規律。

2 工程概況

廣州某高速公路地處珠三角平原，線路穿越山地、既有高速公路、河流、水塘等地貌，為合理利用山地土體資源、貫徹環保理念及降低工程成本，部分路面設計有填方路基段。 本文研究的填方路基里程樁號為K12+120～K12+510，該段路基最大高度24 m，平均高度16 m，分3 級填筑，相鄰兩級路基在兩側設置臺階，臺階寬2 m，每級填筑高度為8 m，路基頂面設計寬度40 m，雙向8 車道，路基原地基土層為黏土。 填方路基斷面見圖1。

圖1 填方路基斷面圖（單位：m）

3 計算模型及計算方案

3.1 計算模型建立

根據路基設計圖紙，該段路基填土高度為24 m，頂面寬度為40 m，按3 級邊坡填筑，每級填土高8 m，相鄰兩級邊坡設置平臺，坡率統一按1∶1.5 設置。 運用FLAC 3D 軟件分別模擬填土高8 m、16 m、24 m 時路基頂面及路基坡腳處土體位移情況。 填方路基模型及網格劃分見圖2。

圖2 填方路基模型及網格劃分

3.2 本構模型選取

FLAC 3D 進行模擬時， 需指定材料的本構關系和材料特性，其中摩爾-庫倫本構模型計算簡單，計算結果也與實際較為接近，是模擬巖土材料變形最常用的計算模型。 因此，本文擬采用摩爾-庫倫本構模型。

3.3 模擬參數確定

為簡化計算，路基上覆土體填料統一考慮為填土體，填土路基原地基的土質條件設為均質土層， 依據地質勘察資料與相關工程經驗確定模型計算參數，見表1。

表1 模型計算參數

4 計算結果分析

為分析不同工況條件對原地面位移影響， 分別模擬不同填土高度、填土模量、填土密度及地基土模量情況下地面位移情況。

4.1 不同填土高度下原地面位移

按路基填筑順序，依次模擬填筑高度h 為8 m、16 m、24 m時路基變形情況。 得出在原地面中心位置、距中心位置水平距離分別為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m 處（邊坡坡腳）豎向、橫向位移數據，詳見圖3 和圖4。

圖3 不同填土高度下原地面豎向位移

圖4 不同填土高度下原地面水平位移

從圖3 可以看出，在原地面中心位置處的豎向位移最大，由中心向兩側豎向位移逐漸減小，隨著路基填土高度的增加，同一位置土體豎向位移隨之增大，在距路面中心水平距離60 m處，不同填土高度對應的豎向位移基本相等（約為3 cm），這是因為隨著填土高度增加，路基中部土體豎向位移的增大，對兩側有擠壓抬升作用。

從圖4 可以看出， 在原地面中心位置處的水平位移基本為0，隨著路基填土高度的增加，水平位移整體呈現逐漸增大的趨勢（填土24 m 高時最大水平位移為6.1 cm），且水平位移最大值區域由坡腳位置逐漸向路基內側移動。

4.2 不同填土模量下原地面位移

模擬路基填土體積模量和剪切模量分別為模量1（體積模量：27.78 MPa，剪切模量：9.26 MPa）、模量2（體積模量：33.33 MPa，剪切模量：11.11 MPa）、模量3（體積模量：38.89 MPa，剪切模量：12.96 MPa）、模量4（體積模量：44.44 MPa，剪切模量：14.81 MPa）時原地面位移情況，得出在原地面中心位置、距中心位置水平距離分別為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m 處（邊坡坡腳）豎向、橫向位移數據，詳見圖5 和圖6。

圖5 不同填土模量下原地面豎向位移

圖6 不同填土模量下原地面豎向位移

從圖5、圖6 可以看出，路基填土的模量對原地面豎向位移、水平位移基本沒有影響。 隨著模量的增大，豎向、水平位移有微小增加，但不明顯，基本可忽略。

4.3 不同填土密度下原地面位移

模擬路基填土密度分別為密度1（1 500 kg/m3）、密度2（1 700 kg/m3）、密度3（1 900 kg/m3）、密度4（2 100 kg/m3）時原地面位移情況，得出在原地面中心位置、距中心位置水平距離分別為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m 處 （邊坡坡腳）豎向、橫向位移數據，詳見圖7 和圖8。

圖7 不同填土密度下原地面豎向位移

圖8 不同填土密度下原地面豎向位移

從圖7 可以看出，隨著路基填土密度的增大，同一位置土體豎向位移隨之增大，在距路面中心水平距離60 m 處，不同填土密度對應的豎向位移有微小不同，但不明顯。 從圖8 可以看出，隨著路基填土密度的增大，同一位置土體水平位移隨之增大，但在原地面中心位置水平位移基本為0。

4.4 不同地基土模量下原地面位移

模擬地基土體積模量和剪切模量分別為地基土模量1（體積模量：26.04 MPa，剪切模量：9.33 MPa）、地基土模量2（體積模量：28.65 MPa，剪切模量：10.26 MPa）、地基土模量3（體積模量：31.25 MPa，剪切模量：11.19 MPa）、地基土模量4（體積模量：33.85 MPa，剪切模量：12.13 MPa）時原地面位移情況，得出在原地面中心位置、距中心位置水平距離分別為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m 處（邊坡坡腳）豎向、橫向位移數據，詳見圖9 和圖10。

圖9 不同地基土模量下原地面豎向位移

圖10 不同地基土模量下原地面豎向位移

從圖9 可以看出，隨著地基土模量的增大，同一位置土體豎向位移隨之減小，在距原地面中心水平距離60 m 處，不同填土密度對應的豎向位移有微小不同，但不明顯。 從圖10 可以看出，隨著路基填土密度的增大，同一位置土體水平位移隨之減小，但在原地面中心位置水平位移基本為0。

5 結語

本文以廣州某新建高速公路為依托， 模擬了不同路基填土高度、填土模量、填土密度、地基土模量時原地面豎向、水平位移情況，結論如下。

1）填土路基原地面中心位置處的豎向位移最大，由中心向兩側逐漸減小， 在坡腳處豎向位移最小， 隨著填土高度增加，原地面豎向位移整體不斷增大。

2）填土路基原地面中心位置處的水平位移基本為0，由中心向兩側先增大再減小，隨填土高度增加，水平位移整體呈逐漸增大趨勢， 且水平位移最大值區域由坡腳位置逐漸向路基內側移動。

3）路基填土模量對原地面豎向、水平位移基本無影響。

4）路基填土密度以及地基土模量對原地面豎向、水平位移有明顯的影響。 路基填土密度越大，原地面豎向、水平位移越大；地基土模量越大，原地面豎向、水平位移越小。

根據模擬結果可知， 在工程施工時要注意高填方路基邊坡坡腳向外擠壓滑動引起的路基不均勻沉降， 同時應控制填料總體密度在合理水平，為防止沉降過大，可采取地基加固處理，以增強土體抗壓抗剪強度，保證路基穩定。