長安綜合試車場高填方路堤施工沉降控制數(shù)值模擬

孫 笑，趙明階，汪 魁，項建明

(1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶400074;2.重慶同乘工程設(shè)計咨詢有限責(zé)任公司，重慶，400023)

隨著世界汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車試驗場的建設(shè)已進(jìn)入了一個全新的時代。而汽車試驗場不同于一般的高速公路工程，它具有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高，施工難度大，項目管理及施工工藝復(fù)雜等特點，而且它的設(shè)計和施工沒有現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范［1－2］。工程實施具有很大的特殊性，因而在建設(shè)過程中，深挖和回填是不可避免的，而填方路堤的穩(wěn)定性問題，由于填方高，荷載大，土基中附加應(yīng)力大而導(dǎo)致原土地基沉降的問題以及由于填方填筑體的自重應(yīng)力引起的填筑體自身的壓縮沉降等問題都是試車場建設(shè)中需解決的問題。

長安汽車綜合試車場建設(shè)于地形較平緩的丘陵地帶。整個試車場由填方和挖方組成，填方最大高度達(dá)22 m，最大填方邊坡高度達(dá)20 m，填料主要為挖方段棄土，主要是基巖和黏性土。由于試車場的試驗路段包括高速環(huán)道，動態(tài)試驗道以及專項測試道等不同要求的路面，且各個路段的要求都很嚴(yán)格，因此采取恰當(dāng)?shù)氖┕し椒ㄅc施工工藝才能保證填方路基及填筑體的質(zhì)量，以及提出合理有效的質(zhì)量控制方法與手段從而確保填方路堤的沉降與工后沉降滿足工程質(zhì)量以及邊坡穩(wěn)定性的要求。鑒于試車場對試驗路段路面及填料的特殊要求，且由于這是在西部建的第一個試車場，沒有足夠成熟的經(jīng)驗和技術(shù)，因此對長安綜合試車場填方路基填料以及路堤的沉降和穩(wěn)定性進(jìn)行分析和研究十分必要。

數(shù)值模擬方法是隨著現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展逐漸成熟的一種分析復(fù)雜的巖土工程問題的一種重要手段，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于路基工程領(lǐng)域中。如王家全，等［3］采用三維薄膜單元模擬土工格室的立體加筋性能，建立三維彈塑性模型，分析土工格室受力特點，通過對相關(guān)參數(shù)的敏感性分析，揭示高填方加寬路堤的變形規(guī)律;單國峰，等［4］對軟土地基上的高填路堤施工進(jìn)行數(shù)值模擬分析，分析了軟基處理前后的沉降及路堤不同壓實度路堤變形規(guī)律;趙明階，等［5］通過有限元分析模擬了不同類型典型斷面形式巖堆路基的沉降變形及應(yīng)力應(yīng)變分布特征，據(jù)此提出了巖堆路基開挖換填深度的控制指標(biāo);熊健民，等［6］利用ANSYS軟件模擬了十慢高速公路填方路段的沉降變化，并結(jié)合沉降試驗數(shù)據(jù)分析了路基沉降的變化特征;李秀珍、陳陽，等［7－8］分別對機(jī)場高填方地基進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分析了高填方地基的沉降變化及穩(wěn)定性。

為了研究試車場高填方路堤施工沉降及其穩(wěn)定性，筆者通過數(shù)值模擬分析的方法，研究了石灰土換填對高填方路堤沉降控制的作用，分析了填方路堤施工變形規(guī)律，從而為填方路堤施工沉降提出控制措施。

1 工程概況及計算模型

1.1 工程概況

長安試車場高填方試驗路段包含高速環(huán)道動態(tài)試驗道以及專項測試道等不同要求的路面，這里選取高速環(huán)道段典型斷面和標(biāo)準(zhǔn)坡道斷面分別進(jìn)行分析。如圖1、圖2。

圖1 高速環(huán)道3+460斷面(斷面1)Fig.1 3+460 section in high-speed circular road(section 1)

圖2 標(biāo)準(zhǔn)坡道橫斷面(斷面2)Fig.2 The cross-section of standard ramp(section2)

1.2 計算模型

填方自上而下各層填料分別為:上路床采用8%含灰量的石灰土，路床下部采用現(xiàn)場開挖的土石混合料即風(fēng)化泥巖回填，分析時分別考慮路基部分填料為黏性土和8%含灰量的石灰土這兩種工況。

單元選擇二維結(jié)構(gòu)實體單元PLANE82，路基的換填料及路堤和路床的回填料均選取Drucker-Prager準(zhǔn)則為屈服準(zhǔn)則［9］。

模型兩端橫向延伸至最大坡高的2倍以上，底部延伸為坡高的3倍以上，從而減少模型邊界的約束對坡體位移的影響，上部邊界為自由邊界，左右及下部邊界為法向約束。分析中只考慮填方土體的自重應(yīng)力的作用。

1.3 材料參數(shù)

高填方填料力學(xué)參數(shù)按照現(xiàn)場取樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗結(jié)果計算取值，要求現(xiàn)場填方壓實度達(dá)到96%以上，主要參數(shù)如表1。

表1 計算模型參數(shù)Table 1 Parameters of the designed model

2 計算結(jié)果分析

圖3為兩個典型斷面路基填料采用黏土?xí)r的y方向位移(沉降)變化圖。由圖可知，在填方路堤自重應(yīng)力作用下，填方y(tǒng)方向位移即沉降變化自上而下逐漸減小，總體上變化趨勢較為均勻。高速環(huán)道斷面最大沉降為16.70 cm，在環(huán)道表面產(chǎn)生最大沉降。標(biāo)準(zhǔn)坡道斷面最大沉降為7.87 cm。標(biāo)準(zhǔn)坡道斷面由于極其不對稱，在路堤邊坡上產(chǎn)生最大沉降。

圖3 黏土路基典型斷面y方向位移變化Fig.3 The variation figure of settlement of typical section with clay subgrade

圖4為兩個典型斷面路基填料采用石灰土換填時y方向位移(沉降)變化。由圖可知，相對于黏土路基，采用石灰土換填后，由于路基填料的彈性模量得到了較大的提高，填方的沉降變化明顯的減小，高速環(huán)道斷面最大沉降減小為13.85 cm，標(biāo)準(zhǔn)坡道斷面最大沉降減小為6.55 cm?？傮w而言，石灰土換填能夠減小填方的沉降變形，但是減小的程度是和坡高以及換填高度有關(guān)的。

圖4 石灰土換填后典型斷面y方向位移變化Fig.4 The variation figure of settlement of typical section replaced by limestone soil

對于高速環(huán)道斷面，由于環(huán)道距離大，而且呈現(xiàn)一定的弧度，因此，不均勻沉降較大。圖5為高速環(huán)道斷面填方頂面各測點沉降變化曲線。通過該圖也可以看出，石灰土換填，明顯減小了高速環(huán)道路面各點的沉降大小。另外，由于高速環(huán)道斷面自身的不對稱性較為明顯，因此環(huán)道路面沉降變形差異性較為明顯，黏性土路基時最大沉降差為4.48 cm，當(dāng)采用石灰土換填路基時最大沉降差為3.75 cm。這是由于石灰土壓實過后呈剛性特征，因此，能夠減小高填方的沉降差。

圖5 高速環(huán)道測點沉降曲線Fig.5 The settlement curve of the test point in the high-speed circuit

圖6 石灰土換填后典型斷面等效塑性應(yīng)變Fig.6 The equivalent plastic strain of the typical section replaced by limestone soil

圖6為兩個典型斷面在路基填料采用石灰土換填后的等效塑性應(yīng)變云圖。由圖可知，總體上，高速環(huán)道斷面和標(biāo)準(zhǔn)坡道斷面都只是在局部很小的范圍產(chǎn)生塑性應(yīng)變，高速環(huán)道斷面在右邊坡腳基巖接觸的地方產(chǎn)生塑性應(yīng)變，標(biāo)準(zhǔn)坡道斷面在左邊基巖突出部位和填方的接觸的地方產(chǎn)生塑性應(yīng)變。兩者的塑性應(yīng)變都相對較小，而且范圍很小，填方的穩(wěn)定性良好。

3 結(jié)論

通過對長安綜合試車場(墊江)高填方路堤試驗路段的高速環(huán)道斷面和標(biāo)準(zhǔn)坡道斷面的數(shù)值模擬分析，研究了高填方路堤的沉降變形規(guī)律和穩(wěn)定性，分析了斷面路基經(jīng)過石灰土換填后的沉降變形和穩(wěn)定性。主要得出以下結(jié)論:

1)通過對石灰土換填路基前后的高填方路堤進(jìn)行有限元數(shù)值分析，結(jié)果表明，石灰土換填路基后，填方路堤的沉降變形在一定程度上有所減小，但是減小的程度和路堤高度及換填厚度是相關(guān)的;

2)高速環(huán)道斷面由于環(huán)道本身的弧度引起的不對稱性，高速環(huán)道表面沉降差較大，通過石灰土換填路基在一定程度上減小表面沉降差;

3)石灰土換填路基對填方路堤邊坡的穩(wěn)定性具有明顯的改善作用，但是，石灰土的含灰量對于石灰土的性能有著明顯的影響，因此，應(yīng)該進(jìn)一步研究不同含灰量的石灰土換填路基時路堤邊坡的變形和穩(wěn)定性。

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