軟土路基沉降的實測及有限元分析

潘吉祥,潘益民，黃　隆

(1.浙江象山經(jīng)濟開發(fā)區(qū)管委會,浙江 寧波 315700；2.寧波市巖土工程有限公司,浙江 寧波 315012;3.浙江工業(yè)大學(xué)工程設(shè)計集團有限公司，浙江 杭州 310001)

?

軟土路基沉降的實測及有限元分析

潘吉祥1,潘益民2，黃隆2

(1.浙江象山經(jīng)濟開發(fā)區(qū)管委會,浙江 寧波 315700；2.寧波市巖土工程有限公司,浙江 寧波 315012;3.浙江工業(yè)大學(xué)工程設(shè)計集團有限公司，浙江 杭州 310001)

工后沉降是軟土地區(qū)道路工程建設(shè)時最關(guān)心的問題,而地基變形計算和沉降預(yù)測是工后沉降控制的關(guān)鍵。象山濱海相沉積軟土本構(gòu)模型采用劍橋修正滲流耦合模型,通過PLaxis有限元程序進行沉降計算,并與實測數(shù)值進行比較,得出了較好的擬合結(jié)果,可作為類似地質(zhì)條件的道路沉降預(yù)測的參考。

軟土路基；沉降；實測；有限元

象山縣域位于東海之濱,城市建設(shè)區(qū)的主要地貌為典型的濱海相沉積平原,場地分布有巨厚的軟土層,厚度從十幾米到幾十米不等。近十幾年來隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展和城鎮(zhèn)化進程的推進,城區(qū)日趨擴展,市政道路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成為拉大城區(qū)框架的主要手段。工后沉降是軟土地區(qū)道路工程建設(shè)時最關(guān)心的問題,而地基變形計算和沉降預(yù)測是工后沉降控制的關(guān)鍵。設(shè)計時不能準確地預(yù)測沉降、未采取有效的地基處理措施從而導(dǎo)致道路建成后工后沉降過大,引起橋頭跳車、路面沉陷、地下管線拉斷等現(xiàn)象時有發(fā)生。

本文通過Plaxis有限元程序?qū)ο笊侥呈姓缆返墓探Y(jié)沉降進行數(shù)值模擬,并與實測數(shù)據(jù)進行比較,得出了較好的擬合結(jié)果,從而為類似地質(zhì)條件的道路沉降預(yù)測提供了參考。

1　工程概況

某市政道路工程為象山經(jīng)濟開發(fā)區(qū)的主干道,東西走向,道路寬度為60 m,其標準橫斷面見圖1,設(shè)計路面標高為4.27～5.41 m,其中K0+210處路面標高約4.85 m。該處原地坪標高約2.85 m,道路結(jié)構(gòu)從上到下分別為：160 mm瀝青混凝土+400 mm 5%水泥碎石基層+200 mm細宕渣找平層+1 200 mm路基宕渣層。

場地地貌屬第四系海積平原,地形平坦,場地原為耕地,清除耕作層后的場地標高約2.75 m,K0+210處土層分布依次為：①粉質(zhì)黏土,厚1.0m,灰黃色或灰黃夾灰綠色,呈軟可塑狀態(tài)；②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,厚14.0m,灰色,呈流塑狀態(tài)；③粉質(zhì)黏土,厚度未揭穿,灰黃色,呈硬塑狀態(tài)。根據(jù)巖土工程勘察報告,各土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標見表1。場地淺部地下水主要為孔隙性潛水,場地土層為微透水層,含水飽和,富水性差,滲透系數(shù)小,地下水位埋深約為1.0 m。

2　施工及沉降觀測簡述

本工程于2012年6月開工并完成基層約1.0 m厚的路基宕渣填筑,8月完成雨污等地下管線工程,11月底完成上層路基及路面澆筑并竣工,在上層路基施工的同時進行道路南北兩側(cè)的地塊填方。路基及水穩(wěn)基層采用200 kN振動壓路機分層碾壓,水穩(wěn)基層及路面采用攤鋪機分層施工,經(jīng)檢測,密實度、彎沉等指標均滿足設(shè)計要求。

圖1　道路標準橫斷面圖

層號土層名稱天然重度γ/(kN/m3)含水率W/%孔隙比/e塑性指數(shù)IP液性指數(shù)IL直剪固快C/kPaφ/(°)滲透系數(shù)水平kh/(cm/s)垂直kv/(cm/s)①粉質(zhì)黏土18.828.60.84315.40.5227.012.92.2E-67.0E-8②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土17.446.51.26616.31.2013.39.42.2E-71.3E-7③粉質(zhì)黏土19.332.20.70314.60.2434.115.6

路基填筑前,埋設(shè)沉降板對施工期沉降進行觀測,監(jiān)測頻率為7～15 d,路面澆筑時將沉降管堵塞廢棄,澆筑完成后對該部位的路面沉降進行了長期觀測,觀測頻率為6個月1次,觀測結(jié)果見表2、表3。

表2　施工期沉降觀測結(jié)果

表3　竣工后沉降觀測結(jié)果

3　有限元模型

有限元數(shù)值模擬分析采用Plaxis程序,該程序[1]是荷蘭Delft Technical University開發(fā)的專門用

于分析各種巖土工程問題的二維有限元計算軟件,可分析變形、固結(jié)、分級加載、穩(wěn)定分析、滲流等計算類型。

3.1幾何模型

對K0+200道路斷面進行有限元分析,模型建立時考慮路側(cè)地塊填方的影響,由于道路兩側(cè)沿中心線對稱,因此只選擇半幅道路進行模擬,路側(cè)地塊影響范圍按30 m考慮,則模型寬度為60 m,深度取值時忽略下臥③層硬土層的影響,僅取至軟土層底面,其模型簡圖見圖2。

3.2材料屬性

土體本構(gòu)模型：Plaxis程序采用15節(jié)點三角形單元來模擬土體,根據(jù)本場地的地基性質(zhì),參考相關(guān)研究資料及工程經(jīng)驗[2],確定劍橋修正滲流耦合模型[3]作為①層粉質(zhì)黏土和②層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土采用的本構(gòu)模型；路基和地塊填方主要由山體開采的宕渣組成,其土體本構(gòu)模型擬采用摩爾-庫倫模型來模擬。根據(jù)試驗研究結(jié)果和相關(guān)經(jīng)驗,各層模型參數(shù)如下：

①粉質(zhì)黏土M=0.745,λ=0.071,κ=0.029,υ=0.30,ψ=0；

②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土M=0.498,λ=0.145,κ=0.015 2,υ=0.35,ψ=0；

路基宕渣γ=20 kN/m3,c= 5 kPa,φ=35°,

E=25 000 kPa,υ=0.2,ψ=0；

地塊填方γ=19 kN/m3,c= 5 kPa,φ=25°,

E=5 000 kPa,υ=0.2,ψ=0。

3.3加載及邊界條件

初始條件： Plaxis軟件需定義初始條件,包括場地初始應(yīng)力和初始水壓。初始應(yīng)力條件指的是路基填筑前地基土自重引起的應(yīng)力分布情況,初始水壓指的是路基填筑前潛水位引起的場地水壓分布情況。

邊界條件：為方便計算,本模型按平面對稱問題考慮,并根據(jù)工程特點,對此模型的位移邊界按固定標準邊界考慮：模型的左右邊界的水平位移為零,但允許豎直方向位移；下邊界的任意方向變形均為零,見圖2。由于本模型僅為道路路幅的一半,其左邊界作為對稱線須關(guān)閉其固結(jié)邊界,軟土層底為微透水—不透水的粉質(zhì)黏土層,其固結(jié)邊界亦須關(guān)閉。

圖2　有限元模擬模型簡圖

加載條件：根據(jù)道路的交通流量和車輛類型,道路建成后的主車道的路面荷載按25 kPa考慮,輔道按15 kPa考慮。本工程按4個工序來模擬加載及固結(jié)情況：第1步填筑高度為1.0 m;第2步采用3個月固結(jié)期來模擬地下管線的施工周期;第3步為上部1.0 m填高,路側(cè)地塊填方和產(chǎn)生路面荷載;第4步為固結(jié)分析直至最小孔壓。

4　有限元模擬結(jié)果及實測分析

4.1位移場模擬結(jié)果及分析

圖3　填筑1.0 m時的總位移云圖

圖4　地下管線施工結(jié)束時的總位移云圖

圖5　竣工時的總位移云圖

圖6　固結(jié)期結(jié)束時的總位移云圖

各工序的總位移場模擬結(jié)果見圖3～6,從圖中可以看出：當填筑1.0 m后地基即產(chǎn)生了變形,最大總位移為59 mm,由于路側(cè)地塊未進行填方反壓,路外地塊土體向上隆起,路基坡腳處土體向外擠出,道路范圍內(nèi)土體位移以豎向為主,地基最大總沉降為51 mm；地下管線施工結(jié)束后,水平位移未發(fā)生明顯變化,由于地基的固結(jié)作用,地基最大沉降值為61 mm；道路竣工時由于填方和路面荷載等因素,最大總位移和路面最大沉降值均為122 mm,地基最大總沉降位于主車道內(nèi),其值為119 mm,說明由于地塊填方的反壓作用約束了土體水平位移,沉降成為地基變形的主導(dǎo)因素；固結(jié)完成后最大總位移和路面最大沉降值均變?yōu)?59 mm,地基最大總沉降為156 mm。

從模擬結(jié)果可以看出,第3和第4工序的路面沉降分別為122、159 mm,地基總沉降分別為119、156 mm,道路結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的沉降僅占路面總沉降的2.4%和1.9%,且竣工后的固結(jié)期內(nèi)道路結(jié)構(gòu)本身未進一步產(chǎn)生壓縮變形,道路竣工時已產(chǎn)生了大部分地基變形。

4.2數(shù)值模擬沉降與實測結(jié)果對比

圖7為K0+200斷面的計算值與實測值對比,圖中的沉降計算值為地面下15 m范圍,從圖中可以看出,計算結(jié)果和實測結(jié)果在變化趨勢和沉降數(shù)值上均比較接近,說明有限元模型和參數(shù)取值較為合理,基本上可以反映實際情況。

圖7　實測與計算沉降對比曲線

4.3長期沉降預(yù)測

圖7的計算和實測曲線均表明,在道路填筑期間沉降發(fā)展較快,填筑完成后由于軟土層的固結(jié)作用沉降仍在緩慢發(fā)展。圖中的計算曲線為開工至地基固結(jié)完成的沉降計算結(jié)果,直至竣工后4年沉降趨于穩(wěn)定,最終沉降量為156 mm。

5　結(jié)　語

本文對軟土路基上的某市政道路的沉降進行有限元模擬和實測分析,總結(jié)了本地區(qū)軟土地基的道路沉降特性,得出如下結(jié)論：

1)對于本地區(qū)軟土厚度不大地段的低路堤道路,有限元分析時可采用劍橋修正模型進行沉降計算,其模型參數(shù)宜通過試驗研究確定。

2)模擬結(jié)果表明,地基沉降約占路面沉降的97%,因此對于分層壓實的宕渣路基,工程竣工后的路面沉降觀測值基本能代表該部位的地基沉降值。

3)道路施工期間,沉降發(fā)展迅速,其沉降值占總沉降的大部分比例,竣工后沉降仍在緩慢發(fā)展,直至竣工后約4年,沉降基本穩(wěn)定。

[1]北京金土木軟件技術(shù)有限公司.PLAXIS巖土工程軟件使用指南[M].北京:人民交通出版社,2010．

[2]陳建峰,秦建慶,石振明,等. 砂井地基沉降的二維有限元分析(二)——修正劍橋滲流耦合模型有限元及實例計算 [J].四川建筑科學(xué)研究, 2003(4):44-46．

[3]閆志軍. 基于PLAXIS的軟土路基沉降數(shù)值分析[J].中國科技財富, 2012(12):51-53.

Actual Measurement and Finite Elements Analysis for the Sedimentation of Soft Soil Subgrade

PANJiXiang1,PANYimin2，HUANGLong3

2016-06-15

潘吉祥(1976—),男,浙江寧波人,高級工程師,主要從事巖土工程設(shè)計咨詢及工程管理工作。

TU433

B

1008-3707(2016)10-0031-04