高填方路基沉降數值模擬與現場監測分析

賀 佳

(山西交科公路勘察設計院有限公司 太原市 030006)

0 引言

高填方路基自重大,工后自身壓縮沉降量較大[1],如施工過程中壓實質量不足會造成路基開裂、不均勻沉降等病害,造成道路整體結構的破壞。高填方路基沉降主要包括路基在自重應力作用下產生的壓縮變形和地基沉降兩部分[2-3],地基的處治和路基壓實質量是施工質量控制的關鍵。對于山區公路,地基表層軟土覆蓋層較淺,加固處治后由于地基承載力產生的沉降較小,因此路基自身沉降是高填方路基沉降控制的重點。由于施工過程中的沉降監測受到各類施工因素的影響[4],造成觀測點破壞、觀測的時效性差等會影響監測結果的準確性。而利用有限元模型根據設計資料建立數值分析模型[5],對高填方路基施工過程中和工后沉降進行模擬分析,可指導現場施工,降低路基自身沉降,保證路基的穩定性。文章以40 m高填方路基作為研究對象,在路基填筑施工過程中采用振動壓實與強夯相結合的施工方法,利用有限元軟件建立模型,模擬路基施工過程,對高填方路基施工過程中和工后沉降進行模擬計算,分析路基的穩定性。

1 高填方路基現場施工方案

1.1 工程概況

某山區高速公路沿線地形高低起伏,最大高差達到184.9 m。高速公路路基采用雙向四車道設計,整體式路基設計寬度為25.5 m,分離式路基寬度為12.75 m。其中K25+245～K25+482段采用高填方路基,路基最大填方高度為42.5 m。該路段地基土上層為粉質黏土,厚度為1.7 m。文章以40 m高填方路基為例,路基邊坡分四級,其中一級～三級邊坡坡度為1:1.75,四級邊坡坡度為1∶1.5,兩級邊坡之間設置2 m寬邊坡平臺。路基邊坡采用拱形骨架植草防護,部分路段采用滿鋪漿砌片石護面墻防護,以坡面提升抗沖刷性能。

1.2 高填方路基施工方案

K25+245～K25+482段地基土采用砂礫換填處理,處治后檢測地基承載力達到了設計要求。高填方路基填料選擇土石混填材料,自路基自下而上分層攤鋪、分層壓實,采用振動壓路機進行分層碾壓。路基填筑到達到單級邊坡高度(8 m或12 m)后,進行一次強夯加固處理。路基分層碾壓采用振動壓路機,單層松鋪厚度為50 cm,先靜壓再振動碾壓,為保證平整度先靜壓兩遍后再進行振動碾壓6遍。強夯處治夯點采用正三角形布置,布置間距為3.5m,單擊夯擊能為3000 kN·m。先進行三遍點夯,再滿夯一次,當最后兩擊夯沉量不大于3 cm時即可停夯。點夯選用復纜履帶式起重機,夯錘重量為25 t,落距為12 m。滿夯夯錘重量為10 t,直徑為2 m,落距為3 m,錘印重疊不少于1/4。

2 高填方路基有限元模型建立

2.1 基本假定

結合高填方路基設計資料,對路基的施工過程進行模擬分析,為準確分析路基自身沉降變形規律,做出以下假設:

(1)假定路基填料各向同性,為理想彈塑性體。

(2)由于地基變形量較小,不考慮地基變形對路基的影響,假定路基已固結。

(3)路基填料的沉降計算只考慮其自重荷載,不考慮行車荷載等因素。

(4)路基自重荷載自地基頂面按自下而上分層加載,不考慮填料固結和孔隙水壓力的影響。

2.2 建立模型

采用40 m高填方路基作為研究對象,采用有限元軟件按照設計資料建立模型。路基填料采用土石混填,路基橫斷面采用臺階式,路基下部寬度為173.5m,上部寬度為25.5 m。有限元模型建立時,按照路基施工順序,采用自下而上的順序建模。模型坐標系建立:X軸右方向為正,Y軸向上為正。先建立一半路基模型,再利用模型的對稱性建立另一半。

2.3 模型計算參數

路基填料選用土石混填材料,模擬高填方路基分層碾壓與分層強夯相結合的施工方法。高填方路基不同填料土層模型編號分別為M1、M2、M3、M4,各層路基填料計算參數如表1所示。

表1 路基填料模型計算參數

2.4 網格劃分和邊界條件

網格劃分:高填方路基計算模型網格采用二維實體單位結構劃分,文中選擇網格尺寸為2.0 m,40 m高度路基共劃分2048個實體單元,總節點數量為1126個。邊界條件:模型底部水平和豎直方向均約束,模型底部邊界為:y=0、u=0,v=0,各自由面上X軸與Y軸方向上的應力均為0,40 m高填方路基模型網格劃分如圖1所示。

圖1 40 m高填方路基模型網格劃分示意圖

3 高填方路基沉降模擬計算結果分析

模型計算過程中,每填筑一層增加一層路基自重荷載,單次填筑后增加的自重荷載為G=γiHi,其中γi為填料的容重,Hi為填層高度。模擬路基分層填筑施工過程,分層碾壓,達到一定填筑高度后進行強夯處治。分層碾壓和分層強夯下的路基填料容重γ見表1。按照高填方路基選擇的四種填料分別建立土層模型,編號分別為M1、M2、M3、M4。為分析路基不同深度沉降變化規律,在路基內部布置A、B、C、D四個計算點,均位于路基中線位置,分別位于路基底面以上4 m、8 m、12 m和16 m位置。在路堤填筑的各施工階段,對采用不同路基填料路基沉降進行數值模擬分析,以上述四個計算點的沉降計算結果作為研究對象,分析路基的沉降變化規律。利用模型模擬路基施工過程,不同路堤填料各計算點沉降值計算結果如圖2～圖5所示。

圖2 M1不同施工階段計算點沉降變化曲線

圖3 M2不同施工階段計算點沉降變化曲線

圖4 M3不同施工階段計算點沉降變化曲線

圖5 M4不同施工階段計算點沉降變化曲線

分析圖2～圖5所示四種不同土石比例路基填料在不同施工階段路基沉降變形曲線,得出隨著填方高度的增加,路基沉降量不斷提高,沉降速度呈現前期增長速度較快,后期增速逐步趨緩的趨勢。四個填層各計算點沉降變化曲線基本一致,其中選用M1填料施工期間D計算點沉降量最大,填筑完成后沉降量值基本穩定在16.23 cm,采用M4填料施工期間D計算點的沉降量相對最小,填筑完成后沉降量值基本穩定在11.24 cm,M2、M3填料沉降量居中。

另外,進一步整理高填方路基M1、M2、M3、M4四種填料土層模型各計算點的沉降數值模擬計算結果,得出四種填料高填方路堤達到穩定狀態所產生的最大沉降量分別為32.83 cm、29.14 cm、26.22 cm、24.58 cm。進一步分析得出高填方路基沉降隨填料中土所占比例的增加而增加,且土石比例為100∶0沉降量最大,而土石比例為25∶75沉降量最小,說明填料中含土比例越高,路基沉降量越大。

4 高填方路基沉降現場監測結果分析

為準確確定高填方路基施工現場沉降監測結果,分別在路基中心線位置和路基兩側布置沉降樁。沉降樁采用現澆鋼筋混凝土制作,尺寸為50 cm×50 cm×20 cm,沉降樁中心布置一根直徑為5 cm的鋼筋,路基沉降樁布置如圖6所示。為與數值模擬分析結果進行對比分析,在施工現場布置四個沉降樁,分別命名為A、B、C、D,四個測點分別位于路基底部以上4 m、8 m、12 m和16 m位置,與數值模擬分析四個計算點一致。在路基填筑施工過程中,依次布置測點,并對各測點在施工中的沉降進行監測。各測點現場沉降監測采用精密水準儀和銦鋼尺,按照二等水準測量方法進行觀測。埋設后進行初次監測,作為初始值,以后每次監測值與初始值相減確定沉降量。在路基填筑施工過程中,對各沉降樁沉降量進行監測,整理數據繪制路基沉降現場監測變化曲線如圖7所示。

圖6 高填方路基現場監測樁布置

圖7 高填方路基現場監測變化曲線

分析圖7曲線變化趨勢,可以得出在施工前期路基沉降速率較大,隨著填層厚度的增加不斷下降,沉降速率逐步趨緩,且在完工后路基沉降明顯下降,監測300 d路基沉降量基本穩定,其中D點沉降量最大,最大值為35.12 cm。現場高填方路堤填料為砂性土,與上述數值模擬計算中M1填料土層模型的D點沉降量計算結果(32.83 cm)十分接近,且略高于計算值。分析原因是由于在模型分析沒有考慮地基沉降、車輛荷載和氣候等因素的影響,但數值模擬計算結果較準確。

5 結語

結合某高速公路高填方路基施工項目,采用有限元軟件建立模型進行數值模擬計算,與現場沉降監測結果進行對比分析,得出以下結論:

(1)通過數值模擬計算得出采用不同土石比例填料路基各計算點沉降量,得出路基各深度沉降量隨填料中土所占比例的增加而增加,M1填料D計算點沉降量最大,M4填料D計算點的沉降量相對最小,M2、M3填料居中。

(2)高填方路基采用M1填料土層模型最終沉降量最大,M4填料最終沉降量最小,即土石比例為100:0沉降量最大,而土石比例為25:75沉降量最小,說明隨路基填料中土所占比例的增加,路基沉降量也隨之增加。

(3)與現場監測結果對比分析,得出高填方路基現場監測值略大于模型計算值,這是由于沒有考慮地基沉降、車輛荷載和氣候因素的影響造成的,但二者比較接近,說明采用有限元模擬計算結果準確,可用于指導現場施工。