葉曉輝
中鐵二院工程集團有限責(zé)任公司 貴州 貴陽 550002
目前,國內(nèi)一些學(xué)者[1-3]對高路堤沉降變形進行過一些探索,有的采用了改進的分層總和法來分析路堤的沉降;有的采用非線性有限元分析填筑體的變形等等。但不管使用哪種方法來計算填筑體的沉降,都會帶來較大的誤差,而有限元法方法計算填筑體的沉降能適應(yīng)各種邊界條件和幾何形狀的變化,并能處理非均質(zhì)材料。為了充分揭示路基填土組成、級配等對高路堤力學(xué)效應(yīng)的影響,本次研究結(jié)合一些相同的計算方式,立足于同樣的分析條件,對典型的高填方璐堤斷面開展多種因素的分析與對比,并進行有效計算,本次典型路堤斷面采用的是20m高填方路堤。具體的研究內(nèi)容如下:第一,結(jié)合不同的試驗條件展開對比分析研究;第二,對比分析不同力學(xué)模型;第三,在不同的密度條件下進行對比分析;第四,對比不同科技的P5;第五,最大的粒徑展開不同對比;第六,填料的差異對比。
2.1 模型普適性
按照TB10001—2016《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定,將研究對象概化為一典型計算模型,該模型為20m高填方路堤,如圖1。
圖1 計算模型網(wǎng)格圖
通過上述可以看出,沿中軸對稱性是概化模型的明顯特征,選取一半模型在堆對稱條件下展開分析,在分析過程中要考慮到模擬的建筑材料存在軟弱地基、填筑材料不均等情況。在分析計算時,完整的概化模型成為計算模型,高度是40m,頂寬26m,底寬150m。
2.2 研究方案
我們采用E-μ(Duncan-Chang)模型對前2個計算模型計算,這2個模型分別采用了飽和固結(jié)及非飽和固結(jié)兩種計算方案。
前幾個計算模型考慮了不同壓實度、不同顆粒級配(不同P5)和不同最大粒徑等幾個系列,每個系列均包含若干種不同計算方案。
不同壓實度的三個計算方案分別為ρ=2.20、2.10、2.00g/cm3;不同顆粒級配(不同P5)的四個計算方案分別為P5=30%、40%、70%、80%;不同最大粒徑的四個計算方案分別為dmax=30、40、50、60mm;填料不均時有1個計算方案;根據(jù)地基中軟弱巖層的存在位置及厚度分布的不同做了2個計算方案,概化模型使用的參數(shù)均由大型三軸試驗或工程實踐提供。
本研究進行了大量的不同工況和不同模型的計算分析,限于篇幅,以非飽和不固結(jié)快剪三軸試驗所得的總應(yīng)力強度參數(shù)計算的20m填方路堤為例,各項力學(xué)參數(shù)見表1。
表1 E-μ模型力學(xué)參數(shù)表
(1) 位移形變特點
通過計算位移形變場的結(jié)果,可以分析出路堤位移形變場的具體特點如下:
① 斷面呈現(xiàn)幾何形狀且在路堤有輕微沉降的現(xiàn)象,沉降量最大的集中在中部。在位于路堤約2/3之處作為界限,上部分出現(xiàn)水平位移的現(xiàn)象不明顯,下部分在臨近臺階的位置會出現(xiàn)外鼓。(見圖2)。
② 除了坡底以外,路堤在垂直位移方面出現(xiàn)了路堤填筑主體的沉降現(xiàn)象。沿著路堤寬度的方向(x方向)的沉降量見圖3,垂直位移分量最大的沉降量達到8.79 mm,位于路堤的中部,寬度約4m,并且隨著兩側(cè)逐漸降低到5.09mm。
圖2 變形網(wǎng)格圖
圖3 路堤表面沉降量分布曲線
(2)應(yīng)力場特征
我們來分析路堤建筑體中關(guān)于垂直應(yīng)力的一個大概分布情況。我們從圖中可以看出,垂直應(yīng)力的分量最大是435.36kPa,位于路堤的中底部位。通過圖5,我們可以看出水平應(yīng)力的分布情況,當水平應(yīng)力最大的值是245.62kPa時,出現(xiàn)在路坡坡底中間部位。第二,通過圖6,我們可以看出最大主應(yīng)力是435.36kPa時,是出現(xiàn)在全斷面的。這個張臺下,垂直應(yīng)力風(fēng)分量與最大主應(yīng)力的量值和方向是保持一致的,這就看出路堤的最大主應(yīng)力是在路堤內(nèi)部就是重力。第三,通過圖7,我們可以看出路堤填筑體中的剪應(yīng)力集中區(qū),位于建筑體的中底部周圍,這個部位 達到了97.42kPa的最大值。
圖4 垂直應(yīng)力分量(σy)等值線圖(單位:kPa,下同)
圖5 水平應(yīng)力分量(σx)等值線圖(單位:kPa,下同)
圖6 最大主應(yīng)力等值線圖(單位:kPa,下同)
圖7 最大剪應(yīng)力等值線圖(單位:kPa,下同)
4.1 路基中線變形沉降
以壓實度90.7%為例,標準路基中線沉降及工后沉降計算成果匯總見表2。從表2得知,路基沉降在施工期和施工后逐漸增大,而施工后沉降與施工后沉降的比值隨路堤高度的增加而減小。隨著路基高度的增加,工后沉降與工后沉降的比值趨于減小,這是因為隨著路基高度的增加,路基自重應(yīng)力增大。在自重作用下,路基填料承受較大的預(yù)壓應(yīng)力,固結(jié)度增大,并進一步壓實。
表2 路基中線沉降變形(壓實度90.7%)
與施工期沉降量相比,隨著路基填土高度的增加,在下一層填土前,對路基填土層施加一定的附加荷載,路基填土沉降趨于快速穩(wěn)定。填料的徐變是沉降的主要影響因素,使路基沉降的速度慢下來。路基變形大致有兩種情況,一種情況是在荷載作用后,路基直接發(fā)生變形,另一種情況是,經(jīng)過長期發(fā)展,路基變形已經(jīng)具有一定的循序漸進的應(yīng)變特性。瞬時變形和蠕變變形是路基壓縮變形兩種常見情況,它們在變形過程中遵循不同的規(guī)律。顆粒位移、孔隙體積減小引起了前者的產(chǎn)生,應(yīng)力傳遞引起了后者,導(dǎo)致了顆粒角的破碎。
4.2 填料粒度組成和粒徑大小對變形和穩(wěn)定的影響
P5占30%的情況下,由于本身土樣性質(zhì)差異較大,與其它P5〉30%的土樣不同,細顆粒含量一般大于粗粒土。因此,有限元模擬與其他3組P5〉30%的結(jié)果有很大的不同。雖然P5是30%的有限元模擬結(jié)果包含在表2中,但考慮到P5=30%的土樣與其他土樣不同,在分析以下結(jié)果時不考慮以下結(jié)果。
計算分析數(shù)據(jù)表明,高路堤的沉降變形受粒度組成的影響:
第一,設(shè)定P5高于40%的狀態(tài)下,P5不斷增加,垂直位移分量(v負向位移)、水平位移分量最大值、最大位移量、坡頂最大垂直位移分量(即坡頂表面最大沉降量)出現(xiàn)了逐漸遞減趨勢,可以看出隨著位移量的遞減P5是增加的。因此,路堤的沉降變形是由于P5變小或者增大。當P5大于40%,路堤的沉降變形量變小,P5則會越大。
第二,最大粒徑在不斷增加的同時,垂直位移分量(負向位移)、水平位移分量最大值、最大位移量、坡頂最大垂直位移分量呈逐漸遞增趨勢,這就說明隨著最大粒徑的增加,路堤發(fā)生沉降。
第三,土石混合料粒度組成對路堤的穩(wěn)定性造成的影響,取決于其對土石混合料強度的影響。土料中的P5在大部分范圍內(nèi)會發(fā)生改變,而最大粒徑在30~60mm的范圍內(nèi)也會發(fā)生相應(yīng)的變化,這是由于表征路堤中應(yīng)力分布計算結(jié)果與特征數(shù)據(jù)大致一樣。由此可見,石混合料的粒度組成不會對路堤填筑體內(nèi)的應(yīng)力分布狀態(tài)產(chǎn)生影響。
4.3 路堤受不同壓實度的影響
在計算過程中,不同壓實度是由建筑材料的密度來賦予表面特征的。隨著密度的不斷增加計算結(jié)果的特征也會隨之變化,比如密度增加后,出現(xiàn)路堤沉降和變形的量變化到最低,包括垂直位移分量、水平位移分量最大值、最大位移量、坡頂最大垂直位移分量(即路堤表面最大沉降量)。密度增加的同時,路堤內(nèi)應(yīng)力的各個謄正數(shù)據(jù)都是逐漸增加的,這其中包括σy最大值、σx最大值、最大主應(yīng)力、最大剪應(yīng)力等,可以看出,路堤內(nèi)應(yīng)力分布狀況的變化是隨著密度的增加而不斷惡化的,計算結(jié)果也體現(xiàn)了密度變化過程中填筑體內(nèi)沒有出現(xiàn)屈服區(qū)。
4.4 力學(xué)模型與試驗條件在不同條件下的對比分析
將不同力學(xué)模型與不同試驗條件的有限元對比分析得到的,表征高路堤應(yīng)力形變場的主要特征對比計算結(jié)果表明,對于同樣的土料采用不同的力學(xué)模型和不同的試驗條件得到的結(jié)果具有一定差別,并且有的數(shù)據(jù)差別可達到3倍以上。因此在具體工程的應(yīng)用中一定要結(jié)合工程實際情況正確選擇土體的力學(xué)模型,并根據(jù)具體工況確定試驗條件。
通過對20m全填高填方路堤的計算分析,對不同計算模型,不同P5含量、不同密度、不同粒度組成以及含均勻和不均軟弱基礎(chǔ)的高填方路堤的沉降變形規(guī)律研究,分析揭示了不同高填方路堤的變形規(guī)律,可以得出以下結(jié)論:
(1)筆者在本文提到的E-μ(Duncan-Chang)模型、施工分層模擬,同時考慮地基的壓縮變形和剪切變形的影響,簡單實用,便于工程應(yīng)用。
(2)從總體上講,路基的最終沉降量隨填筑高度的增加而增加,產(chǎn)生沉降的主要原因是由于施工階段高填方路堤自身的重量導(dǎo)致的沉降。在沉降中最不能忽略的因素是填方路堤高度超過一定高度。路基施工后的下沉和施工期的沉降相比,是隨著路基建筑高度不斷增加而降低的。路基建筑高度不斷增加是直接導(dǎo)致此類現(xiàn)象出現(xiàn)的原因,這是由于后建筑的路基給先填筑的路基起到了堆載預(yù)壓的影響。最終,路基的最終沉降量是隨著壓實度來提高,隨之線性變小。在施工過程中,可為了提高壓實度的施工工藝,一定要嚴格控制壓實度,可以采用提高壓實度和增加填石含量的方法。此外,當填筑速率或松鋪厚度過大,均會增大路堤本身沉降量。對于工程實踐,本文建議采用重型或沖擊壓路機碾壓,從而達到降低高填方路基總沉降變形的目的。
(3)從路基橫斷面上的發(fā)生的沉降和變形來觀察,發(fā)生變形沉降的位置主要集中在路基中線處,并且在此位置沉降量可以到達最大的值。但是,從路基兩側(cè)的中線我們可以看到,隨著沉降變形在變小,水平方向出現(xiàn)了明顯的變形??梢哉f,路基邊坡表面的水平位移重點分布在約1/3及以上的位置,隨著不斷增加壓實度,含水量在不斷減少。
(4)對于20m全填高填方路堤的情形,其變形受填料的密實度、粒度組成、以及不同材料模型的影響。密實度越大,路堤的沉降值越小,路堤越穩(wěn)定,密實度越差,路堤的沉降值也就越大。不同粒度下,P5越大,路堤的沉降變形量越少,穩(wěn)定性越好。分析結(jié)果同時表明,路堤填筑材料的粒徑越大,其沉降量也越大,因而在路堤的填筑過程中應(yīng)控制粒徑的大小。對于填料不均的情形,路堤的沉降規(guī)律比較復(fù)雜,由于材料不均勻?qū)е侣返坛霈F(xiàn)大量的不均勻沉降,因而應(yīng)避免使用材料性質(zhì)相差較大的填料。