丹金高速常州段軟土路基沉降規(guī)律數(shù)值模擬計算及計算精度分析

吳葉群

摘 要：針對軟土路基段孔隙率大、穩(wěn)定性差，新建高速公路路基沉降大，為了研究新建高速公路在軟土地質(zhì)區(qū)域的沉降分布規(guī)律，本文以丹陽至金壇高速公路常州段為研究對象，借助FLAC三維有限元計算軟件，采用數(shù)值模擬計算了實(shí)例工程的沉降分布，研究了實(shí)例工程天然路基段和復(fù)合路基段的分布規(guī)律，研究結(jié)果顯示：復(fù)合路基段的地質(zhì)條件比天然路基段要惡劣。但通過水泥攪拌樁加固等方法處理后，沉降值要遠(yuǎn)小于天然路基段。加固方式合理有效。

關(guān)鍵詞：軟土路基;沉降大小;計算精度;三維數(shù)值模擬

中圖分類號：U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 前言

在高速公路的結(jié)構(gòu)體系中，路基是承受路面及車輛荷載，并傳遞至基礎(chǔ)的關(guān)鍵部分，由于軟土層孔隙率含水率高、可壓縮性大、穩(wěn)定性與強(qiáng)度差，進(jìn)一步突出了路基穩(wěn)定性與沉降量的問題。精確計算擬建高速公路的路基沉降量，并針對性地提出相應(yīng)措施，是科學(xué)判斷工程可行性，合理制定設(shè)計、施工方案的重要保障。

本文以新建丹陽至金壇高速公路常州段為對象，探討三維有限元模擬計算在軟土路基沉降計算中的應(yīng)用。

1 實(shí)例工程概況

1.1 穿越點(diǎn)概況

丹陽至金壇高速公路是《江蘇省高速公路網(wǎng)規(guī)劃（2017―2035年）》中新增的縱向高速公路，是江蘇省規(guī)劃“十五射六縱十橫”高速公路網(wǎng)中“縱三”阜寧至宜興高速公路的重要組成部分，編號為S35。起自與滬蓉高速公路交叉處的丹陽新區(qū)樞紐，北接已建的鎮(zhèn)江至丹陽高速公路，向南經(jīng)丹陽東、珥陵、武進(jìn)西、金壇東，止于與滬武高速公路交叉處的金壇經(jīng)開區(qū)樞紐，接已建的常州至溧陽高速公路，路線全長約42公里，其中丹陽段29.8公里、常州段合計12.2公里（武進(jìn)區(qū)約3.5公里，金壇區(qū)約8.7公里）。

1.2 地層巖性及地基處理方式

根據(jù)本工程收集資料，本工程場地約25.00 m深度范圍內(nèi)所揭露的地基土層均屬第四紀(jì)全新世Q43～晚更新世Q31的沉積層，主要由黏性土、粉性土和砂性土組成。根據(jù)實(shí)測資料，本工程段的地層巖性以江陰站為可分為兩段。

（1）天然地基段（K+000～K3+225）。地層共分為5層，最上層為5.43 m厚的砂土，滲透系數(shù)較大，易坍塌，在一定的水動力條件下，可能產(chǎn)生流砂、管涌等現(xiàn)象，對本工程的管涵基槽開挖可能會產(chǎn)生一定的影響;其次為粉質(zhì)粘土，厚4 m，再往下分別為4.7 m厚的淤泥質(zhì)土、4 m厚的粉質(zhì)粘土及1.2 m厚的粉土。

（2）復(fù)合地基段（K3+225～K7+113）。地層分為5層，從上至下依次為0.5 m厚的砂墊層、3.7 m厚的粉質(zhì)粘土、5.9 m厚的淤泥質(zhì)粘土、9.6 m厚的粉質(zhì)粘土和1.8 m厚的細(xì)砂。由于采用水泥攪拌樁加固，因此最上層需再覆蓋4.1 m厚的填土。

2 模型邊界與參數(shù)設(shè)定

借助FLAC三維有限元計算軟件，采用數(shù)值模擬計算方法研究實(shí)例工程穿越過程中，地基沉降的大小和分布范圍變化。

2.1 初始條件與邊界條件

在本文研究范圍內(nèi)，初始時刻滿足以下條件：

（1）

在式中，為初始水位值、為初始豎向應(yīng)力、為初始孔隙水壓力。

3 模型計算結(jié)果分析

3.1 天然路基段

丹陽至金壇高速公路常州段K0+000～K3+225段為天然路基段。經(jīng)計算可知：

（1）施工第530天（施工完成后第85天）天然路基段達(dá)到最大沉降，此后沉降量穩(wěn)定，不再增加。

（2）主要沉降區(qū)域發(fā)生在②淤泥質(zhì)土及③粉質(zhì)粘土區(qū)域，這兩個土層區(qū)域的沉降值在30.12 cm～47.60 cm范圍內(nèi)。砂土層的沉降值為12.15 cm～22.48 cm;①粉質(zhì)粘土的沉降值為22.0 cm～30.5 cm;④粉土的沉降值為24.2 cm～33.6 cm。

（3）路基沉降達(dá)到最大值出現(xiàn)在K1+660斷面，最大沉降值為47.60 cm。

3.2 復(fù)合地基段

采用理想的本構(gòu)模型，樁與土均看做是均質(zhì)、同性的材料。符合地基的網(wǎng)格劃分及樁基受力情況見圖1。

（a）第一級荷載加載后（第120天）

（b）第三級荷載加載后（第190天）

（c）最大地基沉降分布（第542天）

丹陽至金壇高速公路常州段K3+225～K7+113段為復(fù)合路基段，沉降計算結(jié)果見圖2。經(jīng)計算可知：

（1）施工第542天（施工完成后第93天）天然路基段達(dá)到最大沉降，此后沉降量穩(wěn)定，不再增加。

（2）主要沉降區(qū)域發(fā)生在砂墊層、①粉質(zhì)粘土和②淤泥質(zhì)土，沉降值在15.2 cm～27.0 cm范圍內(nèi)。填土層的沉降值為5.2 cm～15.3 cm;③粉質(zhì)粘土的沉降值為5.8 cm～10.6 cm;細(xì)砂層的沉降值為0.5 cm～7.1 cm。

（3）路基沉降達(dá)到最大值出現(xiàn)在K3+020斷面，最大沉降值為27.0 cm。

4 結(jié)論

為了研究新建高速公路在軟土地質(zhì)區(qū)域的沉降分布規(guī)律，本文以丹陽至金壇高速公路常州段為研究對象，借助FLAC三維有限元計算軟件，采用數(shù)值模擬計算了實(shí)例工程的沉降分布，研究了實(shí)例工程天然路基段和復(fù)合路基段的分布規(guī)律。本文研究結(jié)論可為同類工程的計算、應(yīng)用提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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