風化花崗巖超高填方路堤變形規律研究

關鍵詞：超高路堤；風化花崗巖；FLAC3D；變形規律中圖分類號： ；U416 文獻標志碼：A

文章編號：1001-5922（2025）05-0131-05

Abstract：Taking the weathered granite filer of theultra-high fillembankment from Huadu to Conghua sectionof the Guangzhou-Lianzhou Expresswayas the research object，the characteristics of the filer were studied through experiments，the numerical model was established byFLAC3D basedonthe ultra-high embankment profileof the K4 462 ＼～ K4 900 section，the vertical displacementof thefield monitoring wasused toverifythe numericalmodel，andthedeformationlawoftheweathered granitefillembankment wasstudied.Theresultsshowedthatwiththeincreaseof thenumberof fillinglayers，theswellingphenomenonoccuredonboth sidesof theembankment，andthehorizontaldiferencebetween the monitoring pointsonboth sides became larger，andthe horizontal displacement directionofthe monitoring pointson both sides was opposite with the DK4 640-6 monitoring point as the dividing line.With the increase of depth，the stress increased stepbystep，and the vertical stress reached1.45MPawhen filing tothe12th floor.The numericalsimulation results werebasicallyconsistent with thefield monitoring results，and the diffrence between them was only1mm，and the research results have theoretical significance for the filing and operation of ultra-high fillembankments.

Key words ：super high embankment ； weathered granite； FLAC3D ；deformation law

花崗巖在我國分布廣泛，主要分布在東南及華南地區，全風化狀態時具有高壓縮性、不均勻性及遇水易軟化、崩解等特性[1]，填料難以壓實，從而產生路基不均勻沉降、側向變形、路面產生裂縫等各種沉降變形問題[2-3]。開展超高填方路堤施工時沉降變形與風化花崗巖填料特性研究，對超高填方路堤設計、施工技術及后期路基維護等具有十分重要的現實意義。風化花崗巖作為一種特殊的填料，其路用工程性質的研究起步較晚，蘇鈺欽等通過試驗研究認為：基床表層和底層可分別采用 6% 和 4% 的水泥改良全風化花崗巖改良土[4]。馮太群研究了壓實度、水泥劑量及養生齡期對全風化花崗巖填料水穩定性影響規律，得到了不同水泥改良風化花崗巖路基填料的工程性能參數[5]。張琦練等通過對比0% 、4% 6% .8% 不同水泥摻量改良全風化花崗巖路基填料，得出 4% 水泥摻量滿足上路堤（94區）的填筑要求[6]。上述研究很多是基于試驗所得，難以大規模開展應用，有必要針對具體工程進行具體分析。以廣州至連州高速公路花都至從化 K4+462～ 900段風化花崗巖高填方路堤為工程實例，開展試驗對填料的物理力學特性進行研究，運用FIACD建立典型邊坡斷面模型，對路堤填筑全過程進行模擬，揭示沉降變形規律。

1 工程概況

廣州至連州高速公路花都至從化 K4+462～ 900段高填方路基最大路堤邊坡高度 46.92m ，該區上覆填土及花崗巖殘積土厚度約 3～10m ，下覆全-強風化花崗巖，路堤底部回填 5～6m 的中-強風化花崗巖，基底強風化花崗巖呈砂礫狀、碎塊狀，承載力為 500～700kPa 。填料來自道路周邊平緩丘陵地帶的風化花崗巖，粒徑在 0.075mm 以下含量為33.1% ，粒徑在 2mm 以下含量為 73.3% ，含量粒主成分以粉粒、粘粒為主砂粒，其次也含有礫粒和膠粒，為砂性土。風化花崗巖平均含水率為 11.4% ，液限為 45.3% ，塑限為 22.7% ，塑性指數為22.6，故該區域風化花崗巖為低液限砂性土。根據《公路土工試驗規程》（JTG3430－2020）相關規定進行試驗，得到風化花崗巖填料基本力學參數見表1。

2 模型建立與監測

2.1 模型的建立

模型建立以 K4+462～K4+900 段超高路堤剖面為原型，借助犀牛平臺進行建模，模型分別按照地層巖性和填方順序進行分組，如圖1所示。對于回填部分在初始地應力階段，賦值空模型（model1），模擬未回填施工情況；根據施工步驟對回填部分賦值相應摩爾-庫倫模型（modelmohr）模擬逐步回填過程。

2.2模擬參數的確定與監測點布置

綜合風化花崗巖基本物理試驗及類似工程巖土體經驗[14-6]，模擬采用如表2所示的巖土體參數。在現場的基底回填土層中布設了10個豎向位移傳感器，且數值模擬中與施工布置的位移傳感器位置保持一致。

2.3路堤沉降變形模擬

2.3.1 基巖地應力平衡階段

在現實中路基已經完成固結沉降，為了還原現實情況，先對路基進行地應力平衡，如圖2所示為路基地應力平衡階段的位移及應力云圖，豎向位移較大值位于第一層路基砂礫狀花崗巖層右側斜坡區域，最大豎向位移為 6.18mm ，向下方逐級遞減；水平位移主要集中在路基斜坡坡角處，最大為 1.28mm ；豎向應力主要集中在路基右下角，該處上方巖體最厚，受到的自重應力最大，最大豎向應力為1.11 。

2.3.2 基地回填層填筑階段

圖3所示為基底回填層填筑施工后的豎向位移、水平位移及豎向應力云圖。該路堤剖面上，豎向位移較大值主要集中在左側坡體與平臺交界處，最大豎向位移為 69.13mm ，向平臺中心逐漸遞減，在路堤下部呈現弧形分布規律；水平位移主要是集中在左側坡體上，位于2個1：2斜坡交接階梯平臺處，水平位移方向是朝向坡體的外側，呈現鼓脹現象；隨著土體深度增加，豎向應力則是從土體表面向路堤內部逐漸增加，最大豎向應力值為 1.18MPa 。

2.3.3 填筑階段豎向位移分析

在基底回填土填筑完成后，對位移進行清零，在12層填筑過程中，每隔一層導出一張云圖，圖4所示為填筑階段的豎向位移變化云圖。

由圖4可知，在填筑初期，豎向位移值主要集中在平臺左側靠近坡頂位置，豎向位移從該處向其他區域逐漸減小，這是因為在路堤的右側坡腳有一平臺對沉降變形產生一定的鎖固作用，導致其在另外一側的沉降變形量較大。隨著每一層填筑進行，豎向位移集中區從扁平狀（偏左）逐漸向矩形過渡，填筑至第8層時，豎向位移集中區已近似矩形，隨著填筑至12層時，矩形區域逐漸變為橢圓形，豎向位移的偏心現象消失，兩側豎向位移較為對稱。

提取每次填筑后10個監測點的豎向位移變化曲線如圖5所示。

由圖5（a）可知，12次填筑后的監測點豎向位移曲線整體呈左側位移量偏大，而右側較小的規律。當填筑1＼～3層時，監測點豎向位移曲線近似直線，左大右小。填筑層數大于3層后，豎向位移曲線逐漸呈勾狀，從中心偏左側逐漸出現豎向位移極大值，且隨著填筑層數繼續提升，偏心豎向位移逐漸靠近中心，偏移現象逐漸減小，但在填筑12層后，仍然保持著一定豎向位移偏移特征，在 DK4+640-4 監測點處的豎向位移最大，它位于中央隔離帶偏左處。

由圖5（b）可知，隨著填筑層數升高，會導致豎向位移與填筑層數的斜率逐漸變大，這說明了填筑層數的增加會導致豎向位移增大更加明顯，較厚的填筑土層導致其高壓縮特性被放大。

2.3.4 填筑階段水平位移分析

由于土體泊松比的限制，填筑階段所產生的水平位移均遠小于豎向位移，均是由于豎向作用所產生向兩側的鼓脹現象，隨著填筑層數增加，導致兩側鼓脹現象更加明顯，且兩側鼓脹的位置隨著填筑高度的提高逐級向上擴展，在填筑至12層時，左側鼓脹區域水平位移最大值為 120.80mm ，右側鼓脹區域水平位移最大值為 94.35mm 。提取10個監測點在填筑過程水平位移變化情況，如圖6所示。

由圖6（a）可知，監測點1～5水平位移向左，其中監測點1和2最大，約為 40mm ；監測點6～10水平位移向右，監測點9最大，約為 17mm 。

由圖6（b）可知，當填筑層數為1～2層時，10個監測點的水平位移差異性小，且接近于0。隨著填筑層數增加，兩側的監測點水平差異性越來越大，且以 DK4+640-6 監測點為分界線，該監測點水平位移幾乎接近于0，而其余兩側的監測點呈現不同規律： DK4+640-6 左側監測點水平位移為負值，填筑1～11層時， DK4+640-1 水平位移最大，填筑12層時， DK4+640-2 水平位移最大，為 -41.07mm ：DK4+640-6 右側監測點水平位移為正值，填筑1～8層時， DK4+640-10 水平位移最大，填筑9～12層時，DK4+640-9 水平位移最大，為 17.09mm 。

2.3.5 填筑階段豎向應力分析

同理，提取10個監測點隨著填筑施工過程中的豎向應力變化規律結果如圖7所示。

2.4模擬與監測數據驗證

為了驗證有限元模型的有效性，提取FLACD模擬結果，將其與現場監測點的豎向位移進行對比，結果如圖8所示。

由圖8可知，現場位移傳感器監測的沉降變化曲線顯示 DK4+640-6 斷面的累計沉降量最大，約為95mm ，而FLAC3D模擬監測點沉降量曲線顯示DK4+640-4累計沉降量最大，約為 94mm 。雖然最大沉降量監測斷面有所差異，但2個斷面十分靠近，且二者的沉降量較為近似，說明了有限元模型模擬具備可行性，可以將模擬結果應用于施工沉降變形預測。

由圖7（a）可知，隨著每一層路堤填筑施工進行，豎向應力呈階梯狀增大趨勢，其中 DK4+640-1 與 DK4+640-10 在填筑至5層時，豎向應力就已經趨于穩定，而這2個監測點則是位于所有監測點的兩側。填筑結束后， DK4+640-10 的豎向應力是所有監測點中最大，約為 0.52MPa 。

由圖7（b）可知，監測點的豎向應力整體呈現W型分布規律，隨著填筑高度增加，W型的特征越來越不明顯，趨近于拋物線分布規律。填筑層數1～8層時，監測點 為最大值，逐漸向DK4+640-4 發展；大于8層后， DK4+640-4 豎向應力最大；填筑12層時，豎向應力最大值為5.19MPa，而對于右側的監測點，極大值點均為DK4+640-8監測點。

3結語

（1）在填筑初期，豎向位移值主要集中在平臺左側靠近坡頂位置，豎向位移從該處向其他區域逐漸減小。隨著填筑層數升高，會導致豎向位移與填筑層數的斜率逐漸變大，較厚的填筑土層導致其高壓縮特性被放大。隨著填筑層數繼續提升，偏心豎向位移逐漸靠近中心，偏移現象逐漸減??；

（2）隨著填筑層數增加，路堤兩側出現鼓脹現象，兩側的監測點水平差異性越來越大，且以DK4+640-6監測點為分界線，兩側監測點水平位移方向相反；

（3）豎向應力在路堤中總是呈現與路堤表面形態相似的條狀應力帶，且隨著深度的增加，應力逐級增加，填筑至12層時，豎向應力為1.45 MPa 。監測點的豎向應力整體呈現W型分布規律，隨著填筑高度增加，W型的特征越來越不明顯，趨近于拋物線分布規律；

（4）現場監測結果與數值模擬結果基本一致，兩者最大沉降量相差僅為 1mm ，表明采用本文建立的數值模型可以較好的預測路堤施工或運營期間出現沉降變形。

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（責任編輯：平海）