高填方路基沉降數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測分析

賀 佳

(山西交科公路勘察設(shè)計(jì)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(shí)質(zhì)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(jié)構(gòu)的破壞。高填方路基沉降主要包括路基在自重應(yīng)力作用下產(chǎn)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(shí)質(zhì)量是施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵。對于山區(qū)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(chǎn)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(diǎn)。由于施工過程中的沉降監(jiān)測受到各類施工因素的影響[4],造成觀測點(diǎn)破壞、觀測的時(shí)效性差等會影響監(jiān)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。而利用有限元模型根據(jù)設(shè)計(jì)資料建立數(shù)值分析模型[5],對高填方路基施工過程中和工后沉降進(jìn)行模擬分析,可指導(dǎo)現(xiàn)場施工,降低路基自身沉降,保證路基的穩(wěn)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(shí)與強(qiáng)夯相結(jié)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(jìn)行模擬計(jì)算,分析路基的穩(wěn)定性。

1 高填方路基現(xiàn)場施工方案

1.1 工程概況

某山區(qū)高速公路沿線地形高低起伏,最大高差達(dá)到184.9 m。高速公路路基采用雙向四車道設(shè)計(jì),整體式路基設(shè)計(jì)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(zhì)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(shè)置2 m寬邊坡平臺。路基邊坡采用拱形骨架植草防護(hù),部分路段采用滿鋪漿砌片石護(hù)面墻防護(hù),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(dá)到了設(shè)計(jì)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(shí),采用振動壓路機(jī)進(jìn)行分層碾壓。路基填筑到達(dá)到單級邊坡高度(8 m或12 m)后,進(jìn)行一次強(qiáng)夯加固處理。路基分層碾壓采用振動壓路機(jī),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(jìn)行振動碾壓6遍。強(qiáng)夯處治夯點(diǎn)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(jìn)行三遍點(diǎn)夯,再滿夯一次,當(dāng)最后兩擊夯沉量不大于3 cm時(shí)即可停夯。點(diǎn)夯選用復(fù)纜履帶式起重機(jī),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(jié)合高填方路基設(shè)計(jì)資料,對路基的施工過程進(jìn)行模擬分析,為準(zhǔn)確分析路基自身沉降變形規(guī)律,做出以下假設(shè):

(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(jié)。

(3)路基填料的沉降計(jì)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(jié)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(shè)計(jì)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(shí),按照路基施工順序,采用自下而上的順序建模。模型坐標(biāo)系建立:X軸右方向?yàn)檎?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(jì)算參數(shù)

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(qiáng)夯相結(jié)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(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 路基填料模型計(jì)算參數(shù)

2.4 網(wǎng)格劃分和邊界條件

網(wǎng)格劃分:高填方路基計(jì)算模型網(wǎng)格采用二維實(shí)體單位結(jié)構(gòu)劃分,文中選擇網(wǎng)格尺寸為2.0 m,40 m高度路基共劃分2048個(gè)實(shí)體單元,總節(jié)點(diǎn)數(shù)量為1126個(gè)。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(yīng)力均為0,40 m高填方路基模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 40 m高填方路基模型網(wǎng)格劃分示意圖

3 高填方路基沉降模擬計(jì)算結(jié)果分析

模型計(jì)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(dá)到一定填筑高度后進(jìn)行強(qiáng)夯處治。分層碾壓和分層強(qiáng)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(guī)律,在路基內(nèi)部布置A、B、C、D四個(gè)計(jì)算點(diǎn),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(jìn)行數(shù)值模擬分析,以上述四個(gè)計(jì)算點(diǎn)的沉降計(jì)算結(jié)果作為研究對象,分析路基的沉降變化規(guī)律。利用模型模擬路基施工過程,不同路堤填料各計(jì)算點(diǎn)沉降值計(jì)算結(jié)果如圖2～圖5所示。

圖2 M1不同施工階段計(jì)算點(diǎn)沉降變化曲線

圖3 M2不同施工階段計(jì)算點(diǎn)沉降變化曲線

圖4 M3不同施工階段計(jì)算點(diǎn)沉降變化曲線

圖5 M4不同施工階段計(jì)算點(diǎn)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(xiàn)前期增長速度較快,后期增速逐步趨緩的趨勢。四個(gè)填層各計(jì)算點(diǎn)沉降變化曲線基本一致,其中選用M1填料施工期間D計(jì)算點(diǎn)沉降量最大,填筑完成后沉降量值基本穩(wěn)定在16.23 cm,采用M4填料施工期間D計(jì)算點(diǎn)的沉降量相對最小,填筑完成后沉降量值基本穩(wěn)定在11.24 cm,M2、M3填料沉降量居中。

另外,進(jìn)一步整理高填方路基M1、M2、M3、M4四種填料土層模型各計(jì)算點(diǎn)的沉降數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果,得出四種填料高填方路堤達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所產(chǎn)生的最大沉降量分別為32.83 cm、29.14 cm、26.22 cm、24.58 cm。進(jìn)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(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果分析

為準(zhǔn)確確定高填方路基施工現(xiàn)場沉降監(jiān)測結(jié)果,分別在路基中心線位置和路基兩側(cè)布置沉降樁。沉降樁采用現(xiàn)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(shù)值模擬分析結(jié)果進(jìn)行對比分析,在施工現(xiàn)場布置四個(gè)沉降樁,分別命名為A、B、C、D,四個(gè)測點(diǎn)分別位于路基底部以上4 m、8 m、12 m和16 m位置,與數(shù)值模擬分析四個(gè)計(jì)算點(diǎn)一致。在路基填筑施工過程中,依次布置測點(diǎn),并對各測點(diǎn)在施工中的沉降進(jìn)行監(jiān)測。各測點(diǎn)現(xiàn)場沉降監(jiān)測采用精密水準(zhǔn)儀和銦鋼尺,按照二等水準(zhǔn)測量方法進(jìn)行觀測。埋設(shè)后進(jìn)行初次監(jiān)測,作為初始值,以后每次監(jiān)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(jìn)行監(jiān)測,整理數(shù)據(jù)繪制路基沉降現(xiàn)場監(jiān)測變化曲線如圖7所示。

圖6 高填方路基現(xiàn)場監(jiān)測樁布置

圖7 高填方路基現(xiàn)場監(jiān)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(jiān)測300 d路基沉降量基本穩(wěn)定,其中D點(diǎn)沉降量最大,最大值為35.12 cm。現(xiàn)場高填方路堤填料為砂性土,與上述數(shù)值模擬計(jì)算中M1填料土層模型的D點(diǎn)沉降量計(jì)算結(jié)果(32.83 cm)十分接近,且略高于計(jì)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(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果較準(zhǔn)確。

5 結(jié)語

結(jié)合某高速公路高填方路基施工項(xiàng)目,采用有限元軟件建立模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,與現(xiàn)場沉降監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行對比分析,得出以下結(jié)論:

(1)通過數(shù)值模擬計(jì)算得出采用不同土石比例填料路基各計(jì)算點(diǎn)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(jì)算點(diǎn)沉降量最大,M4填料D計(jì)算點(diǎn)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(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比分析,得出高填方路基現(xiàn)場監(jiān)測值略大于模型計(jì)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(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確,可用于指導(dǎo)現(xiàn)場施工。