考慮軟土地基固結(jié)沉降的填砂路堤變形特性分析

羅　婧， 申　莉

(四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 四川 成都　611130)

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考慮軟土地基固結(jié)沉降的填砂路堤變形特性分析

羅婧， 申莉

(四川交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 四川 成都611130)

[摘要]通過有限元法建立考慮地基軟土固結(jié)沉降的填砂路堤變形分析模型，研究了軟土地基上填砂路堤的變形規(guī)律。通過分析計算對填砂路堤的豎向變形、側(cè)向變形、基底豎向應(yīng)力分布規(guī)律的特性進(jìn)行研究，得到了填砂路堤的側(cè)向變形、豎向變形的分布規(guī)律與影響因素，并討論變形對各參數(shù)的敏感性。

[關(guān)鍵詞]填砂路堤； 變形特性； 固結(jié)沉降； 有限元法

0前言

填砂路堤的過量變形以不均勻沉降和工后沉降為主，是地基和路堤沉降和壓縮變形的空間差異在路堤頂面的反映，這些變形包括道路縱向不均勻沉降、橫向不均勻沉降和工后沉降。填砂路堤過大的變形主要來源于路堤自身的變形與地基的沉降變形[1-6]。

當(dāng)填砂路堤橫斷面上存在自重荷載的變化，導(dǎo)致路堤自身壓縮變形和地基固結(jié)變形產(chǎn)生的沉降在橫斷面上分布不均。當(dāng)?shù)鼗鶠樾逼碌匦螘r，橫斷面上也會存在由于填方高度的不同而產(chǎn)生的不均勻沉降。這種不均勻沉降在路堤較高或者地基軟弱時比較突出，反映到路面結(jié)構(gòu)上，可導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)的損壞。

1填砂路堤變形破壞標(biāo)準(zhǔn)探討

填砂路堤因填料為天然砂，其滲透系數(shù)大，堤身自身的固結(jié)沉降可迅速完成，故其變形主要表現(xiàn)為自重作用下堤身自身的壓縮變形及地基在柔性路堤荷載作用下的壓密沉陷，對于軟土地基上的填砂路堤，應(yīng)考慮地基固結(jié)沉降過程的影響。

另一方面，如果在填砂路堤表面發(fā)生不均勻沉降超出一定范圍，其上的路面結(jié)構(gòu)中會產(chǎn)生較大的附加力學(xué)響應(yīng)，從而導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)裂縫、路面斷板等早期破壞現(xiàn)象，使道路的路面使用性能下降，道路的使用壽命也會大幅縮減。

因此，填砂路堤的變形破壞標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)從如下幾方面綜合考慮：

① 路堤的穩(wěn)定性是所有路堤設(shè)計都須考慮的問題，填砂路堤也不例外，必須在確保其穩(wěn)定性的前提下方可進(jìn)行填砂路堤變形之分析。前文應(yīng)用極限平衡法對填砂路堤進(jìn)行的穩(wěn)定性計算初步成果已表明在最危險方案條件下，填砂路堤的穩(wěn)定性能滿足相關(guān)設(shè)計要求。

② 通常路堤的整體沉降不十分顯著時，可忽略整體沉降對路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。關(guān)于路基沉降的限值，可參考現(xiàn)行路基設(shè)計規(guī)范。

③ 路堤不均勻沉降會導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)附加不利力學(xué)響應(yīng)，且路面結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力與路基不均勻沉降量表現(xiàn)為近線性關(guān)系，但在給定的路面結(jié)構(gòu)與材料前提下，路基不均勻沉降的限值可通過條件：路基不均勻沉陷引起的附加應(yīng)力+輪載作用引起的荷載應(yīng)力<路面結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度而獲得[7-10]。

從總體上看，填砂路堤應(yīng)在保證其穩(wěn)定性的前提下，采取各種措施控制填砂路堤不產(chǎn)生過大的整體變形，同時控制路堤頂面的不均勻沉降。

2分析模型

本文取軟土地基上填砂路堤的基本計算模型如圖1所示。荷載主要來自路堤本身的自重，地基寬度取為50 m，深度為12 m，邊坡坡度為1∶1，路堤填土高度為6 m。考慮到對稱性，取1/2結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。其中路基頂寬為32/2=16 m。假定路基與地基的界面，包邊土與路基、地基的界面均良好連接。

(a) 無包邊土

(b) 有包邊土

Figure 1Sand filling embankment deformation analysis model

計算分析采用荷蘭土工平面有限元軟件Plaxis，該軟件由Technical University of Delft研發(fā)，可進(jìn)行平面應(yīng)變和軸對稱兩類問題的求解，尤其適合于變形與穩(wěn)定計算，已在國內(nèi)外得到廣泛的成功應(yīng)用。

采用15節(jié)點三角形單元離散模型，選用Mohr-Coulomb材料模式，給出了填砂、地基及包邊土的計算分析參數(shù)。重度γ，粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ取值與穩(wěn)定性分析相同，即采用表1所列參數(shù)。計算參數(shù)均通過室內(nèi)試驗與現(xiàn)場試驗段的測試獲取。

模型取半結(jié)構(gòu)，路基頂寬為33.5/2=16.75 m，模型的左，右邊界為水平向約束，底側(cè)為豎直向、水平向均約束，初始應(yīng)力按照K0方式生成，K0=1-sinφ，φ為地基的內(nèi)摩擦角，然后模擬路基的分步分層填筑(staged construction)，從底層起，每步填高均為50 cm，如有包邊土，則假定包邊土與填砂部分同時在該步填筑完畢，同時假定包邊土與填砂，地基等各接觸面均良好連接。

表1 變形計算分析參數(shù)Table1 Deformationcalculationanalysisparameters結(jié)構(gòu)層位楊氏模量E/MPa泊松比μ重度γ/(kN·m-3)粘聚力c/kPa內(nèi)摩擦角φ/(°)填砂200.3018.17136.4地基150.35203030.0包邊土200.35203030.0

3分析結(jié)果與討論

3.1填砂路堤變形特性

表2為不同路基填筑方案。在有包邊土?xí)r填砂路堤不同填高的情況下路堤變形如圖2所示。

表2 路基填筑方案Table2 Subgradefillingprograms分析工況路基高度/m路基邊坡坡比包邊土情況ABC61∶1.751∶1.5 1∶2 無包邊土D4E8F5G71∶1.75無包邊土HIJ61∶1.75有平行四邊形形狀包邊土,厚度為3m有平行四邊形形狀包邊土,厚度為2m有平行四邊形形狀包邊土,厚度為1m

由分析結(jié)果可知：軟土地基上的填砂路堤在自重的作用下，路堤本身與地基產(chǎn)生變形，路堤頂面會形成沉降盆。路堤下的地基是壓密沉降變形集中的區(qū)域，在遠(yuǎn)離路堤處，地基變形較小，在離開路堤坡腳一定位置處，地表出現(xiàn)輕微的隆起。下面分別研究地基頂面豎向應(yīng)力、路堤豎向變形、路堤側(cè)向變形的分布規(guī)律。

分析不同方案條件下的路堤變形，路堤頂面中心沉降與路堤坡腳處地基表面水平位移數(shù)值大小如表3所示。

對比方案B，A，C，可知將路堤邊坡放緩，路堤坡腳處地基表面的水平位移略增加，路堤中心線處路堤頂面的豎向位移略減小，但改變幅度甚??；對比方案D，F(xiàn)，A，G，E，可知隨著路堤高度的增加，路堤坡腳處地基表面的水平位移增加，路堤中心線處路堤頂面的豎向位移亦增加，且后者增加的幅度非常顯著；對比方案A，J，I，H，可知隨著包邊土厚度的增加，路堤坡腳處地基表面的水平位移略增加，路堤中心線處路堤頂面的豎向位移略增加，但改變幅度甚小。以上分析表明，以本研究中所選取的計算分析參數(shù)來看，將路堤邊坡放緩、設(shè)置包邊土等對填砂路堤的變形影響甚小，而路堤高度的變化對填砂路堤變形影響較大，尤其是顯著影響其豎向沉降。對于較高填高的填砂路堤，需高度重視因路基的過大沉降，尤其是不均勻沉降對其上路面結(jié)構(gòu)的影響。

(a) 填高1 m變形示意(放大200倍)

(b) 填高2 m變形示意(放大200倍)

(c) 填高3 m變形示意(放大100倍)

(d) 填高4 m變形示意(放大50倍)

(e) 填高5 m變形示意(放大50倍)

(f) 填高6 m變形示意(放大50倍)

Figure 2Schematic of different options embankment deformation

表3 重要部位的關(guān)鍵位移指標(biāo)值Table3 Thekeyindicatorsimportantpartsofthevalueofdisplacementmm計算分析方案路堤中心處路堤頂面的豎向位移路堤坡腳處地基表面的水平位移A-106.595-10.158B-106.650-9.889C-106.507-10.393D-64.198-4.830E-155.878-16.316F-84.541-7.351G-130.370-13.161H-106.682-10.937I-106.645-10.777J-106.615-10.536

3.2地基頂面豎向應(yīng)力分布規(guī)律

地基頂面的應(yīng)力分布不均勻性是造成路堤不均勻沉降的重要原因，圖3為填砂路堤的堤底附近軟土地基豎向應(yīng)力分布曲線。從圖中可以看出：地基頂面豎向應(yīng)力成盆狀分布，靠近路堤中央位置的豎向應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于路堤邊緣位置，豎向應(yīng)力分布的不均勻?qū)е聦Φ鼗馏w不均勻的壓縮量，從而使路堤頂面容易產(chǎn)生不均勻沉降，隨著路堤填筑高度的增加，豎向應(yīng)力分布的不均勻性也越發(fā)突出，路堤中心與邊緣的豎向應(yīng)力差異也越大。

圖3　路堤底部豎向應(yīng)力分布曲線Figure 3　The vertical stress distribution curve of 　embankment bottom

3.3填砂路堤豎向變形規(guī)律

路堤頂面豎向變形的不均勻性使路基發(fā)生不均勻沉降，路基的不均勻沉降導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)過高的附加應(yīng)力，是導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)破壞的主要原因。圖4和圖5分別為路堤豎向位移云圖與總位移云圖，圖6為路堤頂面豎向位移分布曲線。

圖4　豎向位移云圖Figure 4　Vertical displacement contour

圖5　總位移云圖Figure 5　Total displacement contour

圖6　路堤頂面豎向變形Figure 6　Vertical deformation of dike road surface

由路堤頂面豎向變形分布曲線可知，在填砂路堤頂面分布不均勻，在路堤中央與路堤邊緣會產(chǎn)生差異沉降，差異沉降隨著填高的增加而增加。差異沉降除了與填高有關(guān)，也與地基土體模量、填料模量有關(guān)。分析不同地基土體模量取不同值時路堤頂面差異沉降如圖7所示。

圖7　路堤頂面豎向變形Figure 7　Vertical deformation of dike road surface

由圖7可知：填砂路堤頂面不均勻沉降的大小與地基土體模量有關(guān)，地基土體的模量越大，則路堤頂面不均勻沉降越小，因此，對地基進(jìn)行處理，提高地基土體模量是減小填砂路堤頂面不均勻沉降的有效途徑。同時，不均勻沉降與填料的模量大小也有關(guān)系，填料的模量越大，則不均勻沉降越小，說明做好填料的壓實，提高填料的模量也是減小填砂路堤頂面不均勻沉降的有效途徑。

3.4填砂路堤側(cè)向變形規(guī)律

填砂路堤側(cè)向位移云圖如圖8所示，從圖中可以看出，最大側(cè)向位移發(fā)生于填砂路堤邊坡坡腳位置一定深度的地基土體內(nèi)部。坡腳位置側(cè)向位移沿深度的分布曲線如圖9所示。

路堤坡腳的水平位移是填砂路堤施工控制的重要指標(biāo)，坡腳點的水平位移主要與地基土體的模量有關(guān)，坡腳點的水平位移與地基土體的模量之間的變化關(guān)系如圖10所示。

由圖中可知，填砂路堤坡腳水平位移與地基土體模量與填砂填料模量有關(guān)，地基土體模量越高，填砂模量越高，則坡腳水平位移越小，因此，做好地基的處理，同時保證填料的壓實質(zhì)量，可以有效的減小路堤坡腳位置的水平位移。

圖8　路堤水平位移云圖Figure 8　The horizontal displacement contour of 　embankment

圖9　地基水平側(cè)向位移沿地基深度方向分布Figure 9　Ground level foundation depth direction along 　the lateral displacement of the distribution

圖10　路堤坡腳水平位移與地基土體模量的關(guān)系Figure 10　The relationship between horizontal displacement and 　foundation soil modulus embankment foot of the slope

4結(jié)語

① 路基填筑完畢后，在路堤自重作用下，堤身及地基將產(chǎn)生壓密沉降，路基頂面形成沉降盆，路堤下的地基是壓密沉降變形集中的區(qū)域，在遠(yuǎn)離路堤處，地基變形較小，在離開路堤坡腳一定位置處，地表出現(xiàn)輕微的隆起。路堤頂面會產(chǎn)生一定程度的差異沉降，路堤坡腳處地基的水平側(cè)向位移較大值出現(xiàn)于地基中部稍靠上位置。

② 對軟土地基上的填砂路堤而言，路堤邊坡坡度、包邊土層等對填砂路堤的變形影響較小，而路堤高度對填砂路堤的影響較大，尤其是會顯著影響路堤頂面豎向沉降，同時隨著填高的增加，會使路堤頂面差異沉降增加。

③ 填砂路堤頂面豎向變形大小，以及不均勻沉降的大小除了與路堤填高有關(guān)，也與地基土體的模量與填砂的模量有關(guān)，對地基進(jìn)行處理，同時保證填料的壓實效果，可以有效的減小路堤頂面的整體沉降與不均勻沉降。

④ 路堤坡腳位置的水平位移與路堤填高、路堤填料模量、地基土模量有關(guān)，合理的確定填高、對地基進(jìn)行處理、保證填料的壓實可有效減小路堤坡腳位置的水平位移。

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Deformation Analysis of Sand Embankment Considering Soft Foundation Consolidation Settlement

LUO Jing， SHEN Li

(Sichuan Vocational and Technical College of Communications， Chengdu， Sichuan 611130， China)

[Abstract]Based on the FEM method，the deformation rules of the sand embankment above the soft foundation are studied by the FEM analysis model.The vertical deformation，the lateral deformation and the vertical stress on the base layer of the pavement are discussed by the FEM method.Thence，the deformation rules and the stress distribution are determined，in addition，the sensitivity of the parameters is discussed.

[Key words]sand embankment； subgrade deformation； consolidation settlement； FEM method

[中圖分類號]U 416.1+2

[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)01-0147-05

[作者簡介]羅婧(1983-)，女，四川成都人，講師，主要從事公路工程的勘察設(shè)計及教學(xué)工作。

[基金項目]土建工程材料國家地方聯(lián)合工程實驗室開放基金資助項目(LHSYS-2012-006)

[收稿日期]2014-10-08