基于FLAC3D的斜坡路基差異沉降建模及控制措施

竇鵬（鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津　300142）

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基于FLAC3D的斜坡路基差異沉降建模及控制措施

竇鵬
（鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津300142）

摘要：基于FLAC3D建立斜坡路基段模型進行數(shù)值模擬，通過與現(xiàn)場實測沉降數(shù)據(jù)進行比對，證明了所建立模型的可靠性，在此基礎(chǔ)上，模擬分析了鋪設(shè)土工格柵對路基差異沉降的控制效果，結(jié)果表明鋪設(shè)土工格柵能有效減小斜坡路基的差異沉降，為斜坡路基差異沉降控制提供了參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：斜坡路基，F(xiàn)LAC3D，差異沉降，數(shù)值模擬，土工格柵

0　引言

隨著我國高速鐵路客運專線規(guī)劃及建設(shè)里程大幅提高，且建設(shè)重點向我國中西部地區(qū)轉(zhuǎn)移。中西部地區(qū)由于受地形地貌、地質(zhì)條件及線形的制約，將不可避免的修筑高填深挖以及斜坡路基，而這些地區(qū)路基更容易產(chǎn)生差異沉降，從而影響鐵路的使用性能和壽命［1］。因此對斜坡路基差異沉降的控制措施進行研究已成為十分重要的課題［2］。

由于鐵路路基的工后沉降變形屬于高度非線性問題，得到路基工后沉降變形最為直觀的方法是進行現(xiàn)場監(jiān)測，然而現(xiàn)場監(jiān)測的手段受限于監(jiān)測點的布設(shè)和監(jiān)測方法的選擇，故并不能夠全方位的呈現(xiàn)線路各個斷面的變形狀態(tài)。近年來數(shù)值模擬技術(shù)開始逐步應(yīng)用在巖土工程領(lǐng)域，由于FLAC3D采用混合—離散分區(qū)技術(shù)和顯式拉格朗日算法，能夠十分準確地模擬地基土的塑性破壞和流變，故廣泛應(yīng)用于路基差異沉降的計算分析中［3］。目前斜坡路基差異沉降的處治措施主要包括強夯處治、土工格柵處治以及支擋結(jié)構(gòu)處治［4，5］。龍海濤等［6］結(jié)合FLAC3D數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測的方法，研究了高填方軟土地基快速填筑時的差異沉降規(guī)律，結(jié)果表明FLAC3D數(shù)值計算在總體上能夠反映高填方軟土地基快速填筑時的差異沉降發(fā)展趨勢和超孔隙水壓力的大小。王志斌等［7］通過對斜坡地基上加筋填方路堤與未加筋填方路堤室內(nèi)模型試驗結(jié)果進行對比分析，指出加筋能提高斜坡地基上填方路堤的極限承載力。史永宏［8］基于FLAC3D數(shù)值模擬證明了FLAC3D在土石填料路基沉降研究中的可行性；張博雄［9］利用FLAC3D對斜坡地基高速公路路基差異沉降進行模擬，并找出其影響因素和變化規(guī)律。

本文基于FLAC3D建立斜坡路基段模型進行數(shù)值模擬，并通過與現(xiàn)場實測沉降數(shù)據(jù)進行比對，驗證所建立模型的可靠性。并在此基礎(chǔ)上，研究了鋪設(shè)土工格柵對斜坡路基差異沉降的控制效果。

1　斜坡路基差異沉降模型建立及驗證

1.1模型建立

本文采用FLAC3D程序?qū)π逼侣坊ず蟪两底冃芜M行研究。FLAC3D是一種三維快速拉格朗日分析程序，能夠較好地模擬材料在達到強度極限或屈服極限時發(fā)生的破壞或塑性流動的力學(xué)特性。它可以模擬巖土或其他材料的三維力學(xué)特性。這種算法非常適合模擬大變形問題［10］。

本文選取某客運專線截面斜坡特征明顯，路基橫向填土高度差異較大，具有斜坡路基的代表性的路基斷面進行模擬計算，將試驗斷面分為三個部分，分別是原地基土、路基填土和樁板墻。由設(shè)計文件可知原地基土為砂質(zhì)板巖，路基填土為A，B組填料，樁板墻的主要結(jié)構(gòu)為C35混凝土，這些材料設(shè)定其本構(gòu)模型為摩爾庫侖模型，因為在FLAC3D中摩爾庫侖這一本構(gòu)模型適用于松散膠結(jié)的顆粒材料，如土壤、巖石、混凝土等，能夠反映普通土壤和巖石的力學(xué)行為。參考相關(guān)文獻及設(shè)計文獻［7］，得出各材料的力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1　材料力學(xué)參數(shù)表

提取試驗截面地基土、路基填土和樁板墻的尺寸，在FLAC3D中建立與該斷面相似的計算模型（見圖1），并劃分單元，設(shè)定邊界條件與外力條件來展開計算。

圖1　斜坡路基截面計算模型

1.2模型驗證

現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測方案為：前30天每隔10 d記錄一次路基頂面關(guān)鍵點的沉降值，在30 d后每隔30 d記錄一次路基頂面關(guān)鍵點沉降值，得到的沉降數(shù)據(jù)記錄為表2（限于篇幅僅列出半年數(shù)據(jù)），沉降曲線見圖2。同時，在FLAC3D中計算路基模型完成填筑后360 d的工后沉降，取路基頂面中點、距路基中點左側(cè)5 m、距路基中點右側(cè)5 m三個點為關(guān)鍵點，由左到右依次編號為點1、點2、點3，由此保證與監(jiān)測關(guān)鍵點的一致，沉降的模擬結(jié)果見圖3。

從圖2現(xiàn)場監(jiān)測沉降數(shù)據(jù)可以看出，路基在填筑完成后一個月內(nèi)沉降發(fā)展較快，平均沉降值為1.52 mm，能夠達到工后總沉降值的30%以上，路基三個月的沉降值發(fā)展較快，之后路基沉降緩慢發(fā)展，填筑完成十個月后路基的總體沉降情況趨于穩(wěn)定，總體沉降平均值為3.17 mm。從圖3模擬結(jié)果圖可看出，路基在填筑完成后一個月內(nèi)沉降發(fā)展更快，且在三個月左右達到總沉降的90%以上。

表2　試驗斷面路基頂面關(guān)鍵點沉降數(shù)據(jù)表　mm

圖2　試驗斷面關(guān)鍵點現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)圖

圖3　試驗斷面關(guān)鍵點模擬結(jié)果圖

進一步將得到的計算結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果對比，首先在總體上模擬計算與實際沉降過程保持一致，均為在填筑完成后沉降發(fā)展較快，沉降的差異性同時得到發(fā)展，最后路基的沉降發(fā)展達到穩(wěn)定，整個截面的差異沉降也趨于穩(wěn)定。其次，在沉降和差異沉降發(fā)展過程中，數(shù)值計算得到的結(jié)果和監(jiān)測結(jié)果在數(shù)值上的表現(xiàn)也較為一致，雖然在沉降發(fā)展初期模擬計算到的結(jié)果較為保守，約為實際監(jiān)測值的50%，但隨著沉降的進一步發(fā)展，沉降發(fā)展穩(wěn)定后模擬計算得到的數(shù)據(jù)較實際監(jiān)測值稍大，能夠指導(dǎo)工程實際。

2　土工格柵對路基差異沉降的控制

為了驗證在路基填土不同部位鋪設(shè)土工格柵控制路基差異沉降的效果，利用FLAC3D模擬試驗斷面在設(shè)計文件即地基力學(xué)條件良好、斜坡坡度1∶1.30、填土高度10.5 m的條件下鋪設(shè)抗拉強度為30 kN/m的聚丙烯雙向塑料土工格柵后路基頂面的總體沉降及差異沉降值，進而分析在路基不同部位鋪設(shè)土工格柵能否控制工后差異沉降發(fā)展。

2.1模型參數(shù)選取

FLAC3D中每個土工格柵結(jié)構(gòu)單元的力學(xué)性能可以分成格柵材料的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和格柵構(gòu)件與網(wǎng)格的交互作用方式，可以把土工格柵想象成是一維索的二維物，一般用來模擬看作與土體相互剪切作用的柔性薄膜［11，12］。

計算中土工格柵的關(guān)鍵參數(shù)有彈性模量E；泊松比ν；厚度t；耦合彈簧內(nèi)聚力c，指格柵與土體的應(yīng)力，N/m2；耦合彈簧的摩擦角φ，（°）；耦合彈簧單位面積上的剛度k，指在受力時抵抗彈性變形的能力，N/m3。

試驗?zāi)Ｐ椭械母駯帕W(xué)所有參數(shù)見表3。

表3　土工格柵力學(xué)參數(shù)表

2.2模擬試驗結(jié)果與分析

在樁側(cè)填土鋪設(shè)土工格柵的方法為樁頂以下至基底每隔0.6 m滿鋪一層抗拉強度為30 kN/m的雙向土工格柵。在計算軟件中模擬試驗斷面鋪設(shè)土工格柵，見圖4，圖中圈住的橫線表示土工格柵。并計算路基工后沉降為時一年的路基頂面關(guān)鍵點的發(fā)展，并與未鋪設(shè)土工格柵的沉降情況對比。

整理計算結(jié)果并繪制樁側(cè)填土鋪設(shè)土工格柵后的沉降發(fā)展曲線，見圖5。與未鋪設(shè)土工格柵的路基沉降曲線對比圖見圖6。

圖4　樁側(cè)填土鋪設(shè)土工格柵示意圖

圖5　鋪設(shè)格柵后關(guān)鍵點沉降發(fā)展曲線

圖6　鋪設(shè)土工格柵前后關(guān)鍵點沉降對比曲線

由圖5可知，填筑完成后初期沉降發(fā)展較快，工后沉降發(fā)展一個月后的均值為1.455 mm，沉降差異值為0.781 mm，工后沉降發(fā)展一年后的沉降均值為2.949 mm，沉降差異值為1.024 mm。可見一個月后的工后沉降均值為一年后沉降均值的50%，一個月后的差異沉降為一年后差異沉降的76%。

由圖6可知，路基整體的工后沉降與鋪設(shè)土工格柵時的發(fā)展趨勢保持一致。與鋪設(shè)土工格柵時的路基沉降數(shù)據(jù)進行對比：鋪設(shè)土工格柵的工后沉降在穩(wěn)定后的均值為2.949 mm，未鋪設(shè)土工格柵的均值為3.173 mm，鋪設(shè)土工格柵后工后沉降均值減小了8%；而在差異沉降方面，鋪設(shè)土工格柵條件下，工后沉降穩(wěn)定后的差異沉降值為1.024 mm，未鋪設(shè)土工格柵的差異沉降值為1.514 mm，差異沉降值減小了33%，差異沉降的控制效果明顯。

由以上分析可得，在斜坡路基段鋪設(shè)土工格柵，能夠減小路基的工后沉降值，并可有效地控制斜坡路基的差異沉降。故鋪設(shè)土工格柵可作為控制斜坡路基段差異沉降的有效措施。

3　結(jié)語

本文基于FLAC3D建立斜坡路基段模型進行數(shù)值模擬，并通過與現(xiàn)場實測沉降數(shù)據(jù)進行比對，發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬結(jié)果和實測數(shù)據(jù)具有相同的變化趨勢且數(shù)值相近，從而證明了所建立模型工程方面的可靠性。并基于此斜坡路基模型，模擬斜坡路基在鋪設(shè)土工格柵情況下一年內(nèi)的差異沉降控制效果。驗證了鋪設(shè)土工格柵能控制斜坡路基的差異沉降，且鋪設(shè)土工格柵后差異沉降相較未采取控制措施的差異沉降值減小了33%，差異沉降的控制效果明顯，故鋪設(shè)土工格柵可作為控制本斜坡路基段差異沉降的有效措施。

參考文獻：

［1］張永清.山區(qū)高速公路路基差異沉降特性與控制措施研究［D］.西安：長安大學(xué)，2009.

［2］趙建偉.山區(qū)高速公路路基差異沉降數(shù)值分析［J］.筑路機械與施工機械化，2010，27（9）：39-41.

［3］吳嶺.軟土路基加固效果及沉降變形數(shù)值模擬研究［D］.西安：長安大學(xué)，2013.

［4］謝永利，俞永華，楊曉華.土工格室在處治路基不均勻沉降中的應(yīng)用研究［J］.中國公路學(xué)報，2004，17（4）：7-10.

［5］顏春.填方路基不均勻沉降原因分析及處治措施［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2003，22（1）：63-68.

［6］龍海濤，李天斌，孟陸波，等.高填方軟土路基快速填筑沉降監(jiān)測規(guī)律及FLAC3D模擬［J］.四川建筑科學(xué)研究，2012，38 （4）：156-159.

［7］王志斌，李亮，鄒金鋒，等.斜坡地基上加筋路堤工作性狀及穩(wěn)定性研究［J］.巖土力學(xué)，2008（8）：2189-2192.

［8］史永宏.基于FLAC3D的土石混填路基沉降特性計算分析［J］.湖南交通科技，2015，4（2）：24-28.

［9］張博雄.斜坡地基高速公路路基修筑關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2012.

［10］閆澍旺.土工格柵與土相互作用的有限元分析［J］.巖土工程學(xué)報，1997，19（6）：56-61.

［11］錢勁松，凌建明，黃琴龍.土工格柵加筋路堤的三維有限元分析［J］.同濟大學(xué)學(xué)報，2003，31（12）：1421-1425.

［12］潘樾富，段曉沛.路堤樁板式擋土墻的振動臺試驗研究［J］.鐵道工程學(xué)報，2012（3）：35-39.

The slope sub-grade differential settlement modeling and control measures based on FLAC3D

Dou Peng
（Railway Third Survey and Design Institute Group Limited Company，Tianjin 300142，China）

Abstract：This paper made numerical simulation based on FLAC3Dto establish the slope sub-grade segment model，through the comparing with the field measured settlement data，proved the reliability of model，based on this，simulated and analyzed the control effect of laying geogrid to sub-grade differential settlement，the results showed that laying geogrid could effectively reduce the differential settlement of slope sub-grade，provided the reference basis for slope sub-grade difference control.

Key words：slope sub-grade，F(xiàn)LAC3D，differential settlement，numerical simulation，geogrid

中圖分類號：U416.1

文獻標識碼：A

文章編號：1009-6825（2016）06-0150-03

收稿日期：2015-12-11

作者簡介：竇鵬（1989-），男，助理工程師