基于FLAC3D的高填方路基沉降變形因素分析

蔡文霄，梁 華，朱彥鵬，陳 杰，李曉英

(1.廣元市利州區(qū)固定資產投資審計中心， 四川 廣元 628000；2.蘭州理工大學 西部土木工程防災減災教育部工程研究中心， 甘肅 蘭州 730050)

基于FLAC3D的高填方路基沉降變形因素分析

蔡文霄1，梁 華1，朱彥鵬2，陳 杰1，李曉英1

(1.廣元市利州區(qū)固定資產投資審計中心， 四川 廣元 628000；2.蘭州理工大學 西部土木工程防災減災教育部工程研究中心， 甘肅 蘭州 730050)

以蘭永一級高速公路典型高填方路基工程為背景，采用FLAC3D有限差分軟件建立相應的路基二維模型，利用莫爾-庫侖塑性本構模型計算高填方路基在不同高度、不同坡度、不同填料的位移變形，并記錄所設置關鍵點處的水平位移與沉降量，得到填方高度、填方材料是影響高填方路基施工過程以及工后沉降的主要因素。在工程實際填筑過程中，每填筑3 m高埋設單點沉降計監(jiān)測其沉降量。通過對比分析實測數(shù)據(jù)與模擬節(jié)點沉降量，得到兩者結果基本相符，最大誤差不超過允許范圍的結論。為高填方路基的設計和施工提供了一定的參考。

高填方路基；沉降變形；現(xiàn)場監(jiān)測；節(jié)點沉降量

近年來，伴隨著我國經濟的迅速發(fā)展，高填方路基在公路建設中規(guī)模也越來越大，隨之也帶來了不同程度的沉降破壞，這不僅對路面的平整性有重大的影響，同時也對行車的舒適性與道路的使用壽命有嚴重的影響。研究表明，路基的沉降主要是由地基的自重應力以及附加應力引起的固結壓縮變形和路基自身的自重應力以及車輛荷載附加應力的壓縮變形[1]。影響高填方路基沉降的主要影響因素有：填方高度、路基坡度、填方材料。目前對于高填方路基沉降的研究成果主要偏向于量化分析和預測，而對以上各因素對沉降影響的數(shù)值分析研究結果較少。為深入研究影響路基沉降的因素，最大程度的有效減小路基沉降[2-3]，筆者利用FLAC3D有限差分軟件建立不同填方高度、不同坡度、不同填方材料的高填方路基模型，模擬高填方路基，通過現(xiàn)場實測沉降值進而判斷對路基沉降的影響[4]。

FLAC3D有限差分軟件采用命令流輸入方式，以混合離散法(Marti and Cundall,1982)與解析拉格朗日算法為基礎，材料的流動特性和塑性破壞可以被精確的模擬。因為FLAC3D軟件在計算過程中不需要形成剛度矩陣，所以，該軟件能夠在占較小內存的情況下，大范圍內的工程巖土三維問題可以被求解。FLAC3D軟件采用顯式差分法求解微分方程，采用動態(tài)運動方程描述物理現(xiàn)象(即使模擬的系統(tǒng)是靜態(tài)的，也采用動態(tài)運動方程)，這就使得FLAC3D在模擬物下，排除模擬物理上不穩(wěn)定過程中的數(shù)值阻礙[5]。因此，本文將通過單點沉降計得到現(xiàn)場大量監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用現(xiàn)場監(jiān)測的實際沉降值與FLAC3D模擬沉降值進行對比分析，為將來高填方路基的現(xiàn)場施工提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

1 工程概況及試驗方案

1.1 工程概況

甘肅省蘭永一級高速公路四標段高填方路基為本試驗的沉降監(jiān)測對象，該高填方路基采用淺層換填法清除表面軟塑土，再通過施工機具壓路機分層壓實與重錘隔層夯實相結合的方式填筑處理。本項目采用一級公路標準建設，整體式路基寬度23.0 m，分離式路基寬度11.25 m，路線全長48.246 km。其中高填方路基位于蘭永一級公路第4標段(道路樁號K24+000—K24+400)，采用土石混填材料，材料來源為右側邊坡開挖的紅泥巖和粉質黏土，局部水澆地或沼澤蘆葦?shù)芈范尾捎脺\層換填后，再利用強夯墊層法處理[6-8]，最大填土高度18 m。

1.2 試驗方案

根據(jù)蘭永一級公路的具體情況，本工程第4標段監(jiān)測位置沿道路縱斷面布置兩列監(jiān)測點，分別是：右幅路基右路肩中心和超車道中心；兩列縱向監(jiān)測位置處沿道路縱向每隔1 m打孔，按照不同深度布置單點沉降計，具體測點如圖1所示。

圖1路肩位置剖面圖

本高填方路段最大填方高度18 m，在路肩位置布置單點沉降計，深度依次為：3 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m，共埋設6個單點沉降計，沉降計編號和埋設深度如表1所示。

表1 高填方路肩單點沉降計編號及埋置深度

2 監(jiān)測沉降結果分析

埋設在路肩位置的單點沉降計分別處于同一水平線上。監(jiān)測時間從2015年9月20日開始至2016年8月20日結束，歷時365 d，每月監(jiān)測一次共進行12次現(xiàn)場監(jiān)測。數(shù)據(jù)以9月20日的監(jiān)測為基準，從此時間后所得沉降數(shù)據(jù)均為相對沉降量。

對第4標段路基現(xiàn)場實測，根據(jù)監(jiān)測沉降結果繪制路基沉降曲線如圖2所示。

圖2路肩位置沉降監(jiān)測結果圖

由圖2可以看出，監(jiān)測點1#的整體沉降值最小，2#沉降值次之，6#的整體沉降值最大。整體分析其沉降趨勢，曲線形態(tài)基本相似，沉降量隨時間的增加而越來越大，0～40 d的沉降量基本呈線性增加，之后沉降曲線增加緩慢至250 d左右基本趨于穩(wěn)定。因為開始監(jiān)測的時間在秋季，三個月后進入了冬季，氣候變化可能導致凍融現(xiàn)象，從而出現(xiàn)沉降量的波動。路肩位置對應的沉降量最大為79.03 mm，最小8.60 mm，則平均沉降值為43.82 mm。所以，對于實際工程中預測路肩位置路面工后沉降量可參考其監(jiān)測點的平均沉降量。

3 路基沉降影響因素分析

3.1 填方高度的影響

蘭永一級高速公路第4標段高填方路基，模型參數(shù)以此為依據(jù)，該路基寬度23 m，放坡坡度1∶1.5，地基深度為50 m，分兩層，上部為黏土，厚度10 m；下部為基巖，厚度40 m；地基計算寬度為200 m；填筑高度18 m。填土模擬高度分別選取3 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m。路基填料及地基土物理力學參數(shù)如表2所示。

表2 土體的力學參數(shù)

分析路基沉降為平面應變問題，在建立FLAC3D模型時，根據(jù)路基的對稱性，取其一半模型進行分析，模型如圖3所示。

圖3高填方路基有限元模型

建立坐標系，地基表面與模型對稱軸的交點O為坐標原點，設x軸的方向在水平方向，z軸方向在豎直向上，y軸方向為垂直于分析平面的方向。按照分區(qū)域建模的思路進行建立網(wǎng)格，并將網(wǎng)格尺寸的一致性考慮進去，取y方向單元尺寸為5 m，在其方向設置兩個單元；每個區(qū)域首先按照控制點利用brick單元進行網(wǎng)格建立，然后進行分組后賦值。

本文分析對象為地基和路基的受力特性，采用莫爾-庫侖塑性本構模型。其邊界條件為：底部邊界節(jié)點相當于固定支座的形式對x、y、z三個方向的速度進行完全約束，對x兩側的邊界水平速度和y方向所有節(jié)點速度進行約束。對各部分材料劃分網(wǎng)格時由于路基單元對沉降的影響比較大，因此網(wǎng)格劃分較密，而原地基單元位移較小，網(wǎng)格劃分較稀?？紤]到網(wǎng)格尺寸的一致性，本文中y方向設置兩個單元。運用FLAC3D軟件選取典型深度3 m、9 m、18 m進行路基沉降模擬，其結果如圖4～圖6所示。

圖4 填筑3 m路基沉降量

圖5 填筑9 m路基沉降量

圖6填筑18 m路基沉降量

根據(jù)模型分析結果，不同填方高度路基沉降量，填方高度與模擬沉降關系曲線如圖7所示。

圖7路基填方高度與沉降關系曲線

根據(jù)以上沉降計算結果可知，由于上覆荷載是影響路基沉降的主要因素，一方面隨著填筑高度的不斷增加，填筑體的重量隨之增加，上覆荷載不斷增大，即呈現(xiàn)出荷載與總沉降量的正比關系；另一方面伴隨著越來越高的填筑高度，填筑體的重量增大，自重引起的填土沉降變化成非線性增大趨勢；地基沉降也隨著填方體重量的增大而增大；總沉降量也成非線性增大趨勢。

由圖7可以看出，對于填方較高的路基來說，地基沉降占總沉降的79%，因此，為了防止高填方路基的沉降過大，從兩方面的因素進行考慮：一方面是按照建筑地基處理技術規(guī)范重點處理原地面以下的地基；另一方面在填土時嚴格把控壓實度滿足規(guī)范要求。

3.2 路基坡度的影響

路基邊坡的坡度是影響路基沉降與路基整體穩(wěn)定性的重要因素，因此，確定合理的路基坡度對于路基整體的穩(wěn)定性是必不可少的。本文分別取1∶0.50、1∶0.75、1∶1.00、1∶1.25、1∶1.50和1∶1.75六種情況來研究坡度對路基沉降的影響。所建FLAC3D有限元模型與模擬填方高度影響的模型一致(見圖3)。當采用不同坡比時，其典型坡比1∶0.50、1∶1.00、1∶1.50路基水平位移的數(shù)值模型分析結果如圖8～圖10所示。

圖8 路基坡度1∶0.50時水平位移

圖9 路基坡度1∶1.00時水平位移

圖10路基坡度1∶1.50時水平位移

不同坡度水平位移模擬和坡度關系結果如圖11所示。其典型坡度對路基豎向位移的影響如圖12～圖14所示。

圖11 水平位移與坡度關系曲線圖

圖12 路基坡度1∶0.50時豎直位移

圖13 路基坡度1∶10時豎直位移

圖14路基坡度1∶1.50時豎直位移

路基總沉降量和坡度關系曲線如圖15所示。

圖15路基沉降與坡度關系曲線圖

通過對比圖8～圖10不同路基坡度水平位移云圖可知，最大位移值靠近路基邊緣坡腳處，位移最小值在路面邊緣處，并且隨著路基坡度的逐漸變緩，沿著路基中心向方向，最大水平位移的影響范圍也隨之減弱。根據(jù)數(shù)值模擬結果可知，當路基坡度為1∶0.50時，坡腳水平位移最大，為34.36 mm；1∶1.75時最小，為18.91 mm。

由圖11可知，填土路基的坡腳水平位移隨著坡度的變緩水平位移量逐漸減小。

當坡度為1∶0.50時，沉降值最大，為106.64 mm，當坡度為1∶1.75時，沉降值達到最小值95.18 mm。

由圖15可知，隨著路基邊坡坡度的變緩路基沉降量減小。究其原因，路基坡度越緩，同一填方量路基受力面積增大，對路基主線向線外滑動的抵抗力越大，邊坡越穩(wěn)定，因而產生的沉降量越小。當坡度為1∶0.50時，沉降值106.64 mm與坡度為1∶1.75時的沉降值95.18 mm相差11.46 mm，由此可見，路基坡度變化對于路基沉降的影響較小。

3.3 填方材料的影響

對于路基填料，不同地區(qū)可以采用不同的填筑材料，而路基填料自身的重度，也是影響地基沉降的主要原因之一，為此，筆者查閱相關資料[9-17]對路基采用不同填筑材料的影響進行了計算和分析。最后選取西北地區(qū)常見的黏質土、粉煤灰、磷石膏、EPS材料為本文研究對象。其材料物理力學參數(shù)指標詳見表3。

表3 不同填料的力學參數(shù)指標

分析不同填料所建有限元模型同填方高度影響模型(見圖3)。其不同填料的FLAC3D模型分析如圖16～圖19所示。

圖16 黏質土填料時路基沉降

圖17 粉煤灰填料時路基沉降

圖18 磷石膏填料時路基沉降

圖19 EPS填料時路基沉降

根據(jù)模型分析結果，不同填料與路基的沉降曲線如圖20所示；地基沉降與填方材料重度關系如圖21所示。

圖20 不同填料與路基沉降關系曲線圖

圖21地基沉降與填料重度關系曲線圖

由圖20可以看出，路基總沉降為地基沉降與路基自身沉降之和，而填料自身的重量作用是地基沉降的主要原因。由圖21可知，地基沉降值與填料重度基本成線性正比關系(隨填料重度增大而增大)。地基沉降值平均約占路基總沉降的90%以上，其隨著填方材料重度的減小，地基沉降量明顯減小。因此，筆者認為減輕路基填料重度是減小高填方路基沉降的有效方法之一。

分析沉降計算結果，填筑粉煤灰的路基沉降量小于填筑黏質土同樣高度的沉降量，而粉煤灰是目前我們國家火電廠排出的主要固體廢物，是當前環(huán)境污染中工業(yè)廢渣排量較大的一種，又磷石膏與EPS工程造價高，不適合大規(guī)模路基工程，因此，筆者建議：對于高填方路段，從保護生態(tài)環(huán)境、降低工程經濟、提高項目質量考慮，采用粉煤灰填筑效果更為顯著。

4 現(xiàn)場沉降監(jiān)測與數(shù)值模擬檢驗

針對蘭永一級高速公路第4標段高填方路基進行一年的現(xiàn)場沉降監(jiān)測，沉降計編號及沉降變化值見表1、圖2，以實際路段的斷面布置設計方案進行模擬分析，監(jiān)測結果顯示，路面六處均出現(xiàn)不均勻沉降現(xiàn)象。其FLAC3D程序模擬豎向最終沉降量見表4。

表4 路肩位置不同深度模型模擬最終沉降結果

通過表4分析比較實測值與模型值，兩者差值最小為0.92 mm，誤差最小在填方3 m處，為10.674%；最大發(fā)生在填土高度18 m處，相對誤差最大為22.253%。由圖22可以看出，對于蘭永一級高速公路第4標段高填方路基采用FLAC3D計算模型，現(xiàn)場實測沉降量與模型計算沉降量，其兩者沉降曲線形狀大體一致，實測沉降結果較模型沉降計算結果略小。

5 結 論

本文通過FLAC3D軟件，以蘭永一級高速公路高填方路基現(xiàn)場沉降監(jiān)測為依托，分析影響路基沉降的因素，可以得出以下結論：

(1) 對于第4標段高填方路基路肩位置的沉降以深度3 m處填方體沉降量最小，深度18 m處沉降量最大，填筑體沉降速率呈先增大后減小，最后趨于平緩的趨勢。

(2) 影響高填方路基施工過程以及工后沉降的主要因素有填方高度、填方材料。根據(jù)數(shù)值模擬分析結果得出，隨著填方高度的增加，填筑體的重量增加，由填筑體自重引起的沉降變化會呈現(xiàn)線性增大趨勢，同時沉降量隨填方高度的增加而增大。路基總沉降與填方高度成非線性增大關系。

(3) 路基的水平位移量與沉降值隨著路基坡度的變緩沉降值減小，但從坡度1∶0.50至1∶1.75，沉降值變化并不大；路基填料重度對地基沉降影響較大，與其成線性正比關系；當采用粉煤灰等輕質填料填筑路基時可以明顯減少路基沉降，降低工程經濟，提高形成質量。

(4) 本文通過一年的現(xiàn)場沉降監(jiān)測，利用FLAC3D有限差分軟件將預測結果和試驗路段實際監(jiān)測結果對比分析，得出結果：兩者結果之間差異在允許最大誤差范圍內，因此，可以對實際工程用該程序軟件進行路基沉降模擬分析。

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AnalysisofHighEmbankmentDeformationFactorBasedonFLAC3D

CAI Wenxiao1, LIANG Hua1, ZHU Yanpeng2, CHEN Jie1, LI Xiaoying1

(1.LizhouAuditCenterOfInvestmentInFixedAssets,Guangyuan,Sichuan628000,China;2.WesternEngineeringResearchCenterofDisasterMitigationinCivilEngineeringofMinistryofEducation,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou,Gansu730050,China)

Taking the high fill subgrade in Lanzhou-Yongjing Highway as an example, this paper established a subgrade model by applying the finite difference software FLAC3D, and calculated the displacements and deformations with different heights, grades, and different padding by applying the Mohr-Coulomb constitutive model. The displacement and settlement of each key point settled before were recorded which enable us to conclude that fill height and materials of padding are the main factors which influence the construction process and settlement of high fill subgrade. In the filling process of the project, the settlement was inspected by single-point settlement sensor buried in every 3 meters. By comparing and analyzing the measured data and the simulated ones, it is found that the two results have a good match, and the maximum error is within the allowed range.

highfillsubgrade;displacementanddeformation;fieldmonitoring;jointssettlement

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.040

2017-07-20

2017-08-23

教育部長江學者創(chuàng)新團隊支持計劃項目(2013IRT13068)；甘肅省科技重大專項計劃項目(1302FKDA030)

蔡文霄(1990—)，男，甘肅文縣人，碩士，工程師，主要從事政府投資的工程審計及巖土工程方面的科研工作。E-mail：407373551@qq.com

TU43

A

1672—1144(2017)06—0199—07