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      軟土路基沉降三維有限元模擬計(jì)算及計(jì)算精度分析

      2021-09-10 22:43:47畢芬芬
      交通科技與管理 2021年8期
      關(guān)鍵詞:路基沉降計(jì)算精度

      畢芬芬

      摘 要:為了研究軟土路基沉降,本文以某城市快速路為研究對(duì)象,借助FLAC三維有限元計(jì)算軟件,模擬計(jì)算了軟土路基沉降,并對(duì)其計(jì)算精度進(jìn)一步分析,研究結(jié)果顯示:(1)通過(guò)水泥攪拌樁處理后的復(fù)合路基段沉降值較小,小于設(shè)計(jì)沉降允許值,加固方案合理有效;(2)復(fù)合路基段的沉降分布計(jì)算較為精確,計(jì)算誤差率在10%以內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)分別占82.3%。

      關(guān)鍵詞:城市快速路;路基沉降;計(jì)算精度;三維數(shù)值模擬

      0 前言

      道路路基是承受路面及車(chē)輛荷載,并傳遞至地基的關(guān)鍵部分,路基結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)劣直接決定建成后路基沉降量的大小、道路行駛質(zhì)量等。路基病害嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致路基失穩(wěn),造成重大安全事故[1-3]。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展,城市道路網(wǎng)的普及,越來(lái)越多的城市道路由于選線、建設(shè)用地等條件制約,被迫選擇在承載力較差的軟土地質(zhì)區(qū)域。由于軟土具有孔隙比大、含水率高、可壓縮性大、強(qiáng)度低等特點(diǎn),進(jìn)一步突出了路基穩(wěn)定性與沉降量的問(wèn)題[4]。精確計(jì)算擬建城市道路的路基沉降量,并針對(duì)性地提出相應(yīng)措施,是科學(xué)判斷工程可行性,合理制定設(shè)計(jì)、施工方案的重要保障[5~8]。

      新澄楊線位于江陰站北側(cè),距江陰站僅400 m。新澄楊線與大橋南路在江陰站附近形成“人字”形快速通道。本文以江陰市新澄楊線道路為例,探討三維有限元模擬計(jì)算在軟土路基沉降計(jì)算中的應(yīng)用。

      1 模型計(jì)算結(jié)果分析

      采用理想的本構(gòu)模型,樁與土均看做是均質(zhì)、同性的材料。復(fù)合地基的網(wǎng)格劃分及樁基受力情況見(jiàn)圖1。

      沉降計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。經(jīng)計(jì)算可知:

      (1)施工第542天(施工完成后第93天)實(shí)例工程路基段達(dá)到最大沉降,此后沉降量穩(wěn)定,不再增加。

      (2)主要沉降區(qū)域發(fā)生在砂墊層、①粉質(zhì)粘土和②淤泥質(zhì)土,沉降值為15.2 cm~27.0 cm。填土層沉降值為5.2 cm~15.3 cm;③粉質(zhì)粘土沉降值為5.8 cm~10.6 cm;細(xì)砂層沉降值為0.5 cm~7.1 cm。

      (3)路基沉降達(dá)到最大值出現(xiàn)在K3+020斷面,最大沉降值為27.0 cm。

      2 計(jì)算精度驗(yàn)證

      在本工程施工時(shí),結(jié)合工程設(shè)計(jì)方案布設(shè)相關(guān)監(jiān)測(cè)點(diǎn),對(duì)土體沉降與傾斜進(jìn)行監(jiān)測(cè)。復(fù)合路基段130個(gè)沉降板處的沉降計(jì)算值與實(shí)測(cè)值見(jiàn)圖3。復(fù)合路基段計(jì)算值為第542天,實(shí)測(cè)值為第576天。

      分析圖3可知:

      (1)復(fù)合路基段的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值平均差為0.44,方差為2.15,相關(guān)性為0.942。130個(gè)測(cè)點(diǎn)中,誤差率小于10%的測(cè)點(diǎn)107個(gè),占總數(shù)的82.3%;誤差率小于20%的測(cè)點(diǎn)121個(gè),占總數(shù)的93.0%。擬合計(jì)算精度較高。

      (2)總體來(lái)看,實(shí)例工程的模擬計(jì)算值分布較為平順,連續(xù)性較好,實(shí)測(cè)值分布的波動(dòng)性要略高。出現(xiàn)該情況的原因主要為三維數(shù)模計(jì)算時(shí),采用理想的本構(gòu)模型,認(rèn)為樁與土均為均質(zhì)、同性的材料。同時(shí),數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)的隨機(jī)、偶然性也會(huì)增加數(shù)據(jù)分布的波動(dòng)性。

      (3)通過(guò)水泥攪拌樁加固等方法處理后,復(fù)合路基段沉降值較小,小于設(shè)計(jì)沉降允許值。加固方式合理有效。

      3 結(jié)論

      為了研究軟土地區(qū)路基沉降,本文以新澄楊線為研究對(duì)象,借助FLAC三維有限元計(jì)算軟件,采用數(shù)值模擬計(jì)算了實(shí)例工程的沉降分布,研究了實(shí)例工程復(fù)合路基段的路基沉降。同時(shí),結(jié)合實(shí)測(cè)值對(duì)比可知,數(shù)值模擬計(jì)算精度較高,能較好的反映實(shí)例工程的沉降分布特性??梢?jiàn)采用三維數(shù)值模擬計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)軟土路基的沉降分布合理可行,本文研究結(jié)論可為同類工程的計(jì)算、應(yīng)用提供參考。

      參考文獻(xiàn):

      [1]湯連生,廖化榮,劉增賢,等.路基土動(dòng)荷載下力學(xué)行為研究進(jìn)展[J].地質(zhì)科技情報(bào),2006,25(2):103+112.

      [2]Thornton S I,Elliott R P.Resilient Modulus—What does It Mean[C].Proceedings 37th Highway Geology Sy mposiu m,Helena,Montana,2016:283-301.

      [3]閆興鑫.高速公路軟土路基固結(jié)-蠕變耦合效應(yīng)有限元分析[J].中國(guó)水運(yùn)學(xué)報(bào),2013,13(8):1-7.

      [4]Indraratna B,Sali m W,Rujikiatka mjorn C.Advanced Rail Geotechnology Ballasted Track[M].CRC Press Balke ma,2011.

      [5]趙少偉,王丙興.Plaxis 在高速公路軟基變形研究中的應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào),2008,4(12):1-3.

      [6]胡洋,楊志強(qiáng),吳嘯龍.自適應(yīng)加權(quán)灰色預(yù)測(cè)UQGM(1,1)模型在沉降變形中的研究[J].測(cè)繪通報(bào),2013(S1):199-201.

      [7]王炳龍,周順華.高速鐵路軟土路基工后沉降試驗(yàn)研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2015,31(10):1-5.

      [8]MENDONCA A V,PAIVA J B.An elastostatic FEM/BEM analysis of vertically loaded raft and piled raft foundation[J].Engineering Analysis with Boundary Ele ments,2003,27(9):919-933.

      [9]成玉柱.紹諸高速公路軟土路基沉降機(jī)理研究[D].杭州: 浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2013:7-11.

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