高填方路基分層填筑壓實(shí)數(shù)值仿真研究

趙經(jīng)緯

摘 要：論文在分析高填方路基的施工特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合對(duì)高填方路堤分層填筑模擬原理的分析，對(duì)高填方路基分層填筑的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定，結(jié)合工程實(shí)例分析了高填方路堤分層填筑模擬過(guò)程，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：高填方路基；分層填筑；仿真

路基是路面的基礎(chǔ)，是公路工程的重要組成部分。路基與路面共同承受交通荷載的作用，它必須具有足夠的強(qiáng)度，穩(wěn)定性和耐久性。高填方路基出現(xiàn)較多的問(wèn)題通常是路基整體或局部下沉、路基開(kāi)裂、路基滑動(dòng)或邊坡滑移失穩(wěn)。由于不同地形和地質(zhì)條件的特點(diǎn)，使路堤的填筑情況存在較大的差異，為工后不均勻沉降留下了隱患。

1工程背景

M道路為二級(jí)公路，全長(zhǎng)4.7km，設(shè)計(jì)路基寬度12.5m，由快速道路、M河大橋及輔助跨線橋、排水箱涵等組成。 M橋路面設(shè)計(jì)荷載:汽-超20級(jí)、掛-120，屬大型橋梁工程。大橋南北兩岸地勢(shì)低洼，采用高填方路基，其中北岸填方路段長(zhǎng)265m，最大填方高度8.1m。該路段作為大橋20m和40m大型T梁預(yù)制構(gòu)件施工場(chǎng)地，要求在40天內(nèi)快速完成。

2高填方路基施工的特點(diǎn)

填筑高度大,要求路堤本身具有足夠的整體強(qiáng)度和邊坡穩(wěn)定性。填筑斷面面積大,填筑工程量巨大,路堤的填筑缺陷相對(duì)較多,填筑質(zhì)量保證較為困難。

路堤本身累積沉降大,對(duì)路堤單位填筑高度的工后沉降要求更為嚴(yán)格。因此,在工程施工過(guò)程和工程完工后的車(chē)輛營(yíng)運(yùn)階段,發(fā)生的病害較多,而且較難處治。高填路基常見(jiàn)的病害有:路基整體下沉或局部沉降,路基縱橫開(kāi)裂,路基滑動(dòng)或邊坡滑坍。隨著路基填筑結(jié)束,雖然地基所受填土產(chǎn)生的土壓力趨于穩(wěn)定,但由于多種因素(施工、行車(chē)、環(huán)境等)影響并通過(guò)實(shí)際觀測(cè)資料證明,還不能立刻穩(wěn)定下來(lái),需要經(jīng)過(guò)約8～12月時(shí)間,才能使路基逐漸趨于穩(wěn)定。

3高填方路堤分層填筑模擬原理

高填方路堤的施工方法為分層填筑壓實(shí)，自下而上逐層填筑。根據(jù)壓實(shí)機(jī)具的有壓實(shí)深度和壓實(shí)度要求確定每層的填筑厚度，每一層填土都經(jīng)充分壓實(shí)至滿足要求后，再進(jìn)行下一層次的填筑施工，以保證路堤在整個(gè)填筑高度范圍內(nèi)均滿足壓實(shí)度和穩(wěn)定性要求。

采用增量法進(jìn)行高填方路堤分層填筑施工仿真分析，逐級(jí)施加填土荷載。路堤逐級(jí)施加荷載過(guò)程中，填筑至某一高度，即由該高度以下己填筑土體承擔(dān)這部分荷載。這部分荷載將不對(duì)尚未填筑的上層土體起任何作用，上層土體不受下層土體的影響。并假設(shè)變形在施工中瞬時(shí)產(chǎn)生，下部結(jié)構(gòu)的自重對(duì)上部結(jié)構(gòu)的變形無(wú)任何影響。施工高度以下土重引起的位移己經(jīng)發(fā)生，該高度以上各點(diǎn)如果發(fā)生位移，僅僅是其上土重的作用所引起。

由ANSYS建模，模型高度即為路堤最后實(shí)際填筑所達(dá)高度。由ANSYS的“單元生死”功能模擬實(shí)現(xiàn)分層填筑施工過(guò)程。模擬第一層填土施工時(shí)，由ANSYS的“殺死”功能使上層的填土模型不起作用，計(jì)算路堤下方土層在填土后引起的沉降，當(dāng)其上一層被“激活”時(shí)，相當(dāng)于施加第二層填土荷載。依此類推，完成整個(gè)施工過(guò)程的模擬。

4壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)的確定

充分壓實(shí)路基可以直接有效地控制路堤沉降和不均勻沉降，但過(guò)分強(qiáng)調(diào)壓實(shí)度則導(dǎo)至增加不必要的工程費(fèi)用。本文用數(shù)值仿真方法確定該路段的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，在保證工程質(zhì)量的同時(shí)，經(jīng)濟(jì)快速地完成路堤填筑施工。

以Kl+740處典型斷面建立有限元分析模型，采用不同壓實(shí)度時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)（以90%、93%、95%、98%為例）進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，得出的不同壓實(shí)度時(shí)典型斷面(KI+740)處Y、X方向位移如圖1、圖2所示。

圖1不同壓實(shí)度時(shí)典型斷面處Y方向位移 圖2不同壓實(shí)度時(shí)典型斷面處X方向位移

由此可見(jiàn)，壓實(shí)度提高，土體的密度加大，可以有效地提高土體的強(qiáng)度和抵抗變形的能力，同時(shí)也降低了土體的透水性，使毛細(xì)水上升高度減小，水穩(wěn)定性得到提高?？紤]高填方路基快速施工的要求，結(jié)合路堤承載力及填料的強(qiáng)度要求，將本路段路基填筑壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，在規(guī)范要求標(biāo)準(zhǔn)情況下適當(dāng)提高，按K=95%標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓實(shí)控制，可以較好地滿足工程的特殊需要。

5高填方路堤分層填筑模擬過(guò)程及計(jì)算結(jié)果分析

以水平網(wǎng)格表示路堤分層填筑過(guò)程，進(jìn)行有限元模型網(wǎng)格劃分。LWE單元表示所填筑的第一層土體，LIVE單元以上的單元被殺死，即為第一層土體的模擬填筑過(guò)程。據(jù)此，求解得出施加第一層填土后的變形計(jì)算結(jié)果并得出第一層填土施工完成后的位移等值線.

然后，激活上一層單元作為第二層填土。得到第二層填土后的變形圖和等值線圖。依次類推，逐層施加填土荷載依次求解。圖3表示了填筑至設(shè)計(jì)所要求高程后的計(jì)算結(jié)果。

(a)最終變形結(jié)果 (b)最終填土后位移件等值線圖

圖3全斷面分層填筑施工模擬計(jì)算

6不同分層填筑厚度計(jì)算結(jié)果對(duì)比

不同的填筑厚度，使路堤產(chǎn)生的沉降量不同，以下分別對(duì)20cm:、30cm、40cm和50cm等不同的分層厚度，進(jìn)行模擬仿真計(jì)算，得出路堤在不同填筑高度時(shí)的沉降量，沉降與分層填筑厚度關(guān)系曲線于圖4。

圖4最終沉降與分層填土厚度關(guān)系

（1）路堤土體的壓實(shí)度隨分層填筑厚度增加而降低;

（2）高填方路堤的最終沉降隨分層填筑厚度增加而增加;

（3）分層填筑厚度在20-30cm范圍內(nèi)增加，對(duì)路堤的最終沉降量影響不明顯，分層填筑厚度超過(guò)30cm，沉降量急劇增加。

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注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。