填土速率對(duì)軟土路基變形影響的數(shù)值分析

左 威,涂文靖

(華東交通大學(xué)道橋與巖土工程研究所,江西南昌330013)

填土速率對(duì)軟土路基變形影響的數(shù)值分析

左 威,涂文靖

(華東交通大學(xué)道橋與巖土工程研究所,江西南昌330013)

基于plaxis軟件針對(duì)新建彭湖高速K41+200軟土路堤建立有限元分析模型,并開(kāi)展有限元數(shù)值計(jì)算。通過(guò)分析不同填土速率、不同填土間隔時(shí)間工況下該斷面的穩(wěn)定與變形情況,得出該斷面施工中與工后的沉降變化,并比較在不同填筑速率下施工過(guò)程以及工后的沉降變化,論證填土速率對(duì)路基施工質(zhì)量的影響。

填土速率;軟土路基;施工質(zhì)量;穩(wěn)定性;沉降變形

1 K41+200斷面所在地質(zhì)條件

彭湖高速公路是國(guó)家規(guī)劃建設(shè)的長(zhǎng)江南岸高速公路通道在江西境內(nèi)的重要組成部分,是江西省高速公路路網(wǎng)規(guī)劃中地方加密高速線的重要組成部分,該工程位于贛江與長(zhǎng)江交匯地帶的鄱陽(yáng)湖沖洪積平原。區(qū)內(nèi)發(fā)育有厚度不等的軟土,呈現(xiàn)明顯的層狀結(jié)構(gòu),常夾雜有各成份的透鏡體(淤泥、細(xì)粉砂等)。

地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,地基強(qiáng)度小,強(qiáng)度變化大。沿線軟土具有高含水量、高液限、低密度、低強(qiáng)度、高壓縮性、低透水性,高靈敏度的特點(diǎn)。K41+200路基頂面寬24.5 m,坡度為1∶1.5;填土為低液限粉質(zhì)粘土,中心填方7.2 m;路基底部第一層為淤泥,第二層為粘土,軟土下是一密實(shí)砂土層。具體尺度及土層分布,水位線在位于地基面,見(jiàn)圖1[1]。

2 軟土路基穩(wěn)定、變形性有限單元法分析

2.1 分析原理

彭湖高速為2年建成高速,在計(jì)算時(shí)將將路基施工時(shí)間視為365 d,路堤填筑完成后剩余時(shí)間用于靜置預(yù)壓,采用Mohr-Coulomb材料類型,利用plaxis軟件的凍結(jié)功能實(shí)現(xiàn)分層填筑逐級(jí)加荷,模擬的工況為:(1)采用的填土速率分別為0.4,0.8,1.2 m?d-1,每填筑層中間時(shí)間間隔為15 d;(2)采用0.4 m?d-1填土速率,每層時(shí)間間隔分別為3,7,15,20 d。

圖1 K41+200斷面土層分布與計(jì)算圖(m)

圖2 K41+200有限元計(jì)算模型圖

2.2 計(jì)算模型的建立[2-4]

計(jì)算時(shí)由于該路基斷面為軸對(duì)稱,幾何模型以其右側(cè)作為分析,有限元分析采用6節(jié)點(diǎn)三角單元,程序根據(jù)邊界條件自動(dòng)劃分單元,共559個(gè)節(jié)點(diǎn),632個(gè)單元。根據(jù)圖1,地基計(jì)算深度取9.8 m,計(jì)算寬度取53.05 m。假設(shè)砂土層不出現(xiàn)變形,該層用一固定邊界代替。該有限元計(jì)算模型的邊界條件定義通過(guò)plaxis給出的標(biāo)準(zhǔn)固定邊界來(lái)完成(底部限制位移,兩側(cè)限制水平位移),一般水位線位移地基面,具體見(jiàn)圖2,計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 K41+200有限元計(jì)算參數(shù)一覽表

2.3 計(jì)算成果分析[5-6]

(1)填土速率與變形的關(guān)系。根據(jù)計(jì)算及以往經(jīng)驗(yàn),路基中心線地面沉降最大為路基地面中點(diǎn),而最大側(cè)向位移發(fā)生在坡腳。采用相同的時(shí)間間隔15 d,在填土速率分別為0.4,0.8,1.2 m?d-1,其路基中心沉降和坡腳側(cè)向位移如圖3,圖4所示。

圖3 三種填土速率路基中心沉降隨時(shí)間變化圖

圖4 三種填土速率路基坡腳側(cè)向位移隨時(shí)間變化圖

可知,分級(jí)填土厚度不同對(duì)于工后路基沉降與側(cè)向變形影響不大。分層填筑厚度對(duì)路基變形的影響主要集中在填土?xí)r期,而對(duì)于分層填土的固結(jié)后期,由于預(yù)壓,彌補(bǔ)了施工過(guò)程中填土應(yīng)力調(diào)整時(shí)間,影響并不大。填筑速率為1.2 m?d-1最先到達(dá)穩(wěn)定而且其工后沉降還略小于40 cm?d-1,而工后的坡腳水平位移僅比40 cm?d-1的大3 cm。對(duì)于整個(gè)路基的施工質(zhì)量,三種填土速率的路基工后變形量相差并不大,此時(shí)就應(yīng)該考慮施工過(guò)程中的變形速率。根據(jù)現(xiàn)有路基施工技術(shù)規(guī)范,路堤中心線地面沉降速率每晝夜應(yīng)不大于10～15 mm,坡腳水平位移速率應(yīng)不大于5 mm[7]。從圖3,圖4中明顯可見(jiàn),在填土速率為0.8,1.2 m?d-1的施工過(guò)程中,其各層填土施工過(guò)程中,橫向、豎向變形速率都超了規(guī)定值,隨著單層填筑厚度的增加,變形速率也增大。

(2)填土?xí)r間間隔與變形的關(guān)系。采用規(guī)范的0.4 m?d-1的填土速率,每層時(shí)間間隔分別為3,7,15,20 d,其路基中心沉降和坡腳側(cè)向位移如圖5,圖6所示。

圖5 4種填土?xí)r間間隔路基中心沉降隨時(shí)間變化圖

圖6 4種填土?xí)r間間隔路基坡腳側(cè)向位移隨時(shí)間變化圖

路基施工速度不僅與單層填筑厚度有關(guān),每?jī)蓪犹钪g的時(shí)間間隔也是一個(gè)決定因素。單層固結(jié)的時(shí)間,對(duì)整個(gè)路基施工的質(zhì)量也有很大影響。固結(jié)后期,它與單層填土厚度的變形狀況一樣,工后變形相近[8]。圖中可見(jiàn),隨著時(shí)間間隔的增大,豎向、橫向的變形速率明顯減緩,3,7 d的單層固結(jié)時(shí)間間隔,路基的變形速率已經(jīng)超過(guò)了規(guī)范值,難以確保施工質(zhì)量。如遇惡劣氣候條件必將出現(xiàn),如連續(xù)降雨等,水分入滲,孔隙水壓上升,沉降速率將進(jìn)一步增大,在高填方路段滑坡等路基災(zāi)害更易發(fā)生。

3 結(jié)論

(1)利用有限元軟件plaxis的幾何狀態(tài)激活功能模擬了路基的不同分層、不同時(shí)間間隔施工,得出:不同填土速率對(duì)軟土地基的工后總沉降影響不大,其影響主要發(fā)生在填土初期地基的變形。填土速率大,沉降主要發(fā)生在填土階段,且后面有較長(zhǎng)的預(yù)壓期,所以工后沉降會(huì)相對(duì)減小,但施工過(guò)程中填土期地基變形速率也較大;填土速率小,沉降速率小,填土?xí)r間長(zhǎng),后面預(yù)壓期短,相反工后沉降大。

(2)現(xiàn)場(chǎng)施工應(yīng)嚴(yán)格控制,因時(shí)因地制定合理的填筑速度。填土施工過(guò)程中若碾壓達(dá)到規(guī)定壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)并滿足,可合理增大松鋪層厚度,縮短填土期,預(yù)壓期延長(zhǎng),固結(jié)度增大,工后沉降減小,工程效果就越好。填土施工控制必須嚴(yán)格按照現(xiàn)場(chǎng)條件,保守了會(huì)延誤工期,造成人力、物力的浪費(fèi);反之會(huì)使地基失穩(wěn),發(fā)生工程事故。為確保工后沉降滿足使用要求,必須保證路基有足夠的預(yù)壓時(shí)間,這就要求,在滿足路堤穩(wěn)定和確保施工質(zhì)量的前提下,填筑施工應(yīng)盡可能早的完成,便可縮短路堤的總工期。這對(duì)于高速公路提早投入運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生更高的經(jīng)濟(jì)效益和投資回報(bào)有重大意義。

[1]鄭明新,馬國(guó)正,趙升,等.彭湖高速公路路基施工沉降觀測(cè)與變形規(guī)律研究階段報(bào)告[R].九江:江西省交通廳彭澤至湖口新建高速公路項(xiàng)目辦公室,2009:9.

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(責(zé)任編輯 王全金)

Numerical Analysis on the Influence of Filling Speed on the Soft Soil Embankment Distortion

Zuo Wei,Tu Wenjing
(Institute of Road Bridge and Geotechnical Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

Based on plaxis software,FEM model for new building Peng-hu highway K41+200 soft soil subgrade is established.Through analyzing stability and deformation of the case in the condition of different filling speed and intervals,the paper shows the settlement changes before and after construction,and compares the settlement changes with different filling speed to verify the influence of filling speed on the quality of embankment construction.

filling speed;soft soil embankment;quality of construction;stability;settlement and distortion

TU 472

A

1005-0523(2010)04-0008-04

2010-04-21

江西省運(yùn)輸交通廳科技基金(2009c0002)

左 威(1986-),男,碩士研究生,研究方向?yàn)槁坊c邊坡方向。