袋裝土平鋪層數(shù)對路基沉降影響的數(shù)值模擬研究

李 偉，孫肇坤，趙 鑫，田大鵬，王揮云

(1.沈陽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 遼寧 沈陽 110168；2.中鐵十九局集團(tuán) 礦業(yè)投資有限公司， 北京 100161；3.中冶沈勘工程技術(shù)有限公司， 遼寧 沈陽 110168)

土工袋由土工合成材料制作而成，砂土和軟黏土等各類土都可作為填充物裝入土工袋內(nèi)，起到加固土體的效果。袋裝土技術(shù)日益成熟，廣泛應(yīng)用于圍海工程、路基工程等多個(gè)領(lǐng)域。文獻(xiàn)[1-5]通過袋裝土的加固原理及試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，袋裝土具有較高的抗壓強(qiáng)度、有效處理膨脹土、良好的減振隔振等特性，能夠有效提高地基承載力和減小地基沉降變形。文獻(xiàn)[6]針對袋裝土具有制作簡單，施工技術(shù)難度低等特點(diǎn)，結(jié)合國內(nèi)外工程實(shí)例，認(rèn)為在公路建設(shè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[7]介紹了土工袋技術(shù)在市政溝槽回填中的實(shí)際應(yīng)用，根據(jù)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)表明，該技術(shù)優(yōu)于傳統(tǒng)的回填方法。Shin等[8]在實(shí)際工程現(xiàn)場進(jìn)行袋裝砂土填充試驗(yàn)研究，得出土工袋的變形形態(tài)與填充材料有著密切關(guān)系的結(jié)論。文獻(xiàn)[9]通過試驗(yàn)結(jié)果，可知增加砂袋擋土墻的寬度和墻背比，能提高整體的穩(wěn)定性。周榮官等[10]采用地質(zhì)雷達(dá)探測手段，為填充袋筑堤技術(shù)提供新的思路。文獻(xiàn)[11]從能量守恒的角度考慮，研究發(fā)現(xiàn)，在加卸載的不同方式下，土工袋和袋內(nèi)材料的總耗能百分比呈“波浪形”增減趨勢，當(dāng)占總能量的75%以上時(shí)，消能效果較好。王淼[12]將離散元方法應(yīng)用到土工袋模擬研究中，發(fā)現(xiàn)土工袋之間的側(cè)壓力系數(shù)對土工袋的形狀不產(chǎn)生影響，并簡化了側(cè)壓力系數(shù)和摩擦系數(shù)的計(jì)算，使土工袋技術(shù)應(yīng)用理論更加完善。文獻(xiàn)[13-15]介紹了袋裝砂土地基處理加固技術(shù)，并進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，研究袋裝砂土擺放形式和數(shù)量對地基加固的影響，研究結(jié)果可知，袋裝砂土地基加固技術(shù)能夠提高地基承載力，且對地下管道具有良好的保護(hù)效果。劉斯宏等[16]采用彈塑性有限元法，對土工袋加固后的軟土地基承載力試驗(yàn)進(jìn)行模擬，計(jì)算結(jié)果表明，數(shù)值模擬計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測值非常接近，證明了該土工袋數(shù)值模擬方法的合理性。

基于以上研究成果，本文以武漢天河機(jī)場二通道S6標(biāo)段K12+300路段的填土施工情況為例，建立無砂袋加固路基模型、4種不同層數(shù)平鋪擺放的袋裝土改良路基模型。通過分級回填施加荷載，將模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，驗(yàn)證土工袋加固技術(shù)應(yīng)用于路基處理的可行性，確定最佳袋裝土平鋪層數(shù)。

1 袋裝土有限元模型建立

1.1 模型方案

(1) 無加固處理方案：按照實(shí)際工程的路基處置方案，分層回填填土，建立數(shù)值模型，取各個(gè)回填階段荷載-沉降變化曲線。將該曲線與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)擬合對比，驗(yàn)證模型建立與參數(shù)選取合理性。

(2) 袋裝土加固處理方案：在驗(yàn)證模型與參數(shù)選取合理性的基礎(chǔ)上，在初始條件和邊界條件不變情況下，將處理路基與土工袋加固路基進(jìn)行對比，說明土工袋加固技術(shù)對提高路基承載力與控制不均勻沉降方面的效果。

1.2 參數(shù)選取

本文模擬過程地層均采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型。計(jì)算需要的力學(xué)參數(shù)由室內(nèi)試驗(yàn)和勘察資料及相關(guān)理論推導(dǎo)得到，如表1和表2所示。

表1 土層參數(shù)

表2 接觸面力學(xué)參數(shù)

接觸面(土工袋)參數(shù)中法向剛度Kn和剪切剛度Ks取周圍最硬相鄰區(qū)域等效剛度的10倍，即：

(1)

式中:K是體積模量；G是剪切模量；ΔZmin是接觸面法向方向上連接區(qū)域上最小尺寸。

根據(jù)文獻(xiàn)[17-18]整理簡化得到土袋粘聚力為：

(2)

Kp=tan2(45°+φ/2)

(3)

(4)

C土袋=c+CT

(5)

式中：T為土工袋張力，kN/m；C土袋為土工袋黏聚力，kPa；c為土體黏聚力，kPa；Kp為被動(dòng)土壓力系數(shù)，與袋內(nèi)土體摩擦角有關(guān)；φ為袋內(nèi)土體摩擦角；H為裝土后土工袋高度，m；L為裝土后土工袋長度，m；CT裝土后土工袋附加黏聚力，kPa。

1.3 建立模型

本文所用工程實(shí)例選自《機(jī)場二通道服務(wù)區(qū)高填土路基沉降預(yù)測研究》[19]。運(yùn)用FLAC3D軟件對K12+300斷面建立模型。K12+300斷面地基寬度為326 m，填土路堤填高8.6 m，頂、底面寬度分別為200 m和226 m，分層填土高度30 cm。根據(jù)鉆探結(jié)果，地表以下15 m左右見基巖，取黏土地基計(jì)算總深度為15 m，每三層填土建立一次模型。填高分別為0.9 m、1.8 m、2.7 m、3.6 m、4.5 m、5.4 m、6.3 m、7.2 m、8.1 m和8.6 m。路基地層分布從上到下依次為：種植土(0～2 m)、含礫土(2 m～5 m)、硬黏土(5 m～13 m)、軟黏土(13 m～15 m)。K12+300斷面如圖1所示。

圖1 K12+300斷面示意圖(單位：m)

建模計(jì)算時(shí)，因模型中路基和地基斷面的對稱性，可取實(shí)際工程二分之一進(jìn)行簡化，將路基土層及路面填料分成不同組，即路面填料、種植土、含礫土、硬黏土和軟黏土。模型共生成400個(gè)單元體，672個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。平鋪10層時(shí)，換填1.5 m厚種植土，用土工袋灌裝原土樣回填，平鋪20層時(shí)，換填1.5 m厚種植土、1.5 m厚含礫土，用土工袋灌裝土樣回填，平鋪30層時(shí)，換填1.5 m厚種植土、3 m厚含礫土，用土工袋灌裝土樣回填，平鋪40層時(shí)，換填1.5 m厚種植土、3 m厚含礫土、1.5 m硬黏土，用土工袋灌裝土樣回填，每次回填都在袋裝土表面平鋪50 cm厚原種植土，使路基表面平整。如圖2所示。

圖2 填土路基模型圖(單位：m)

1.4 施工回填階段模擬

本文選取武漢天河機(jī)場二通道S6標(biāo)合同段中的K12+300斷面，通過全年的現(xiàn)場觀測，整理得到K12+300斷面路基中心點(diǎn)沉降-時(shí)間曲線，如圖3所示。

圖3 K12+300斷面路基中心點(diǎn)累計(jì)沉降-時(shí)間曲線圖

根據(jù)以上信息，綜合數(shù)值模擬方法，模擬計(jì)算時(shí)采用逐級加載方式。一方面，可以計(jì)算施工各個(gè)階段的應(yīng)力應(yīng)變，找到其中規(guī)律；另一方面，通過逐級加載得到土體內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變隨填土高度增加的變化規(guī)律。路基回填施工階段模擬過程為：0.9 m、1.8 m、2.7 m、3.6 m、4.5 m、5.4 m、6.3 m、7.2 m、8.1 m、8.6 m順序分層激活，共10次回填完成，每次回填均進(jìn)行計(jì)算并整理結(jié)果。

2 模擬計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 模型合理性論證

根據(jù)現(xiàn)場勘查資料及室內(nèi)土工試驗(yàn)參數(shù)，通過數(shù)值模擬計(jì)算，將模擬計(jì)算值與K12+300斷面路基填土實(shí)測值進(jìn)行比較，如圖4所示。

圖4 模擬與實(shí)測對比沉降曲線

在模擬計(jì)算中假設(shè)地基土為飽和土，忽視填土孔隙水壓力和地下水位影響，同時(shí)，模型設(shè)置、參數(shù)選取、初始條件與邊界條件選擇不可能完全接近實(shí)際工程。由圖4可知，路基實(shí)測沉降量和模擬沉降值隨著回填土高度的增加而增大，且模擬計(jì)算值接近于實(shí)際觀測值，當(dāng)填筑高度達(dá)到最大時(shí)，模擬值和實(shí)測值基本一致，計(jì)算結(jié)果擬合度較高。因此，驗(yàn)證了參數(shù)選取、初始邊界條件設(shè)置的合理性。

2.2 土工袋技術(shù)有效性論證

2.2.1 模擬路基中心和坡腳沉降結(jié)果分析

為驗(yàn)證土工袋技術(shù)在控制路基不均勻沉降和提高路基承載力方面的有效性，在原模型基礎(chǔ)上分別平鋪0層、10層、20層、30層和40層袋裝土。經(jīng)過對云圖計(jì)算結(jié)果的整理，得到各級回填土下不同方案的路基沉降量與袋裝土層數(shù)變化關(guān)系曲線，部分方案如圖5所示。

由圖5可知，在分級回填的情況下，隨著上部荷載的增大，路基的最大和最終沉降量均明顯增加，這說明上部荷載對地基沉降量的影響較為突出。由圖5(a)—圖5(f)可知，經(jīng)過袋裝土加固處理過的路基，無論是最大或最終沉降量均遠(yuǎn)小于未處理過的路基，這說明土工袋加固技術(shù)可以有效加固處理路基，可以明顯減小地基沉降量。進(jìn)一步分析可知，隨著袋裝土層數(shù)的增加，路基沉降量逐漸減小，路基承載力得到有效提升，當(dāng)平鋪層數(shù)接近至40層時(shí)，路基沉降量與層數(shù)關(guān)系曲線趨于平緩，且路基最大沉降量和最終沉降量均達(dá)到最小值; 分析回填8.1 m和8.6 m沉降量與層數(shù)關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，不同回填高度下，平鋪層數(shù)為40層時(shí)對應(yīng)的最大和最終沉降量幾乎一致，故繼續(xù)增加平鋪層數(shù)會(huì)增加地基沉降量，因此平鋪層數(shù)為40層時(shí)的袋裝土加固方案最佳。

圖5 各級回填時(shí)各處理方案沉降曲線(單位：mm)

為了更加清晰說明土工袋技術(shù)對提高路基承載力，減少路基沉降方面的作用，經(jīng)過對各個(gè)處理方案下的計(jì)算結(jié)果整理，分別得到P-S1曲線(路基中心處荷載-沉降曲線)與P-S2曲線(路基坡腳處荷載-沉降曲線)如圖6所示。

從圖6可知，在相同荷載作用下，無論是路基中心還是坡腳位置的沉降，未處理路基的沉降量均為最大值。這也說明，路基未進(jìn)行處理時(shí)，在上部回填土荷載作用下，路基的不均勻沉降及總體沉降均大于袋裝土處理后的復(fù)合路基。這一點(diǎn)可以從土工袋力學(xué)性能來解釋，相比于松散土體易發(fā)生受拉屈服破壞的特點(diǎn)，土工袋因自身具有較高的抗拉強(qiáng)度，能將抗拉材料與松散土體結(jié)合為整體受力部件，通過兩者之間的接觸產(chǎn)生摩擦作用，將土體中受到的上部填土荷載向外擴(kuò)散，能夠有效增加土體的彈性模量。根據(jù)摩爾-庫侖本構(gòu)理論，彈性模量的增加必伴隨應(yīng)變(變形)減小。土體中的拉應(yīng)力在土工袋中傳遞時(shí)，能起到限制袋中土體側(cè)向變形得作用，從而在整體上提高土體抗剪與抗拉強(qiáng)度。

圖6 各處理方案下沉降曲線

2.2.2 模擬路基斷面沉降結(jié)果分析

為進(jìn)一步說明土工袋技術(shù)應(yīng)用到路基處理方面的可行性，能夠有效地控制路基的總體沉降，同時(shí)減小不均勻沉降，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)繪制出無處理、平鋪10層、平鋪20層、平鋪30層和平鋪40層各級回填后的路基斷面沉降曲線，通過分析路基斷面沉降曲線可知，采用土工袋技術(shù)處理的路基可以大幅度提高路基承載力，路基土體的模量不僅得到提升，且路基的整體穩(wěn)定性還有所加強(qiáng)，使路基在承受相同荷載作用下能減小路面沉降。以最后一級回填為例，最大沉降值由225.88 mm(無處理)減小至108.11 mm(平鋪40層)，降幅52%；路基不均勻差值由165.93 mm(無處理)減小至76.26 mm(平鋪40層)，降幅54%；同時(shí)地基水平位移由56.52 mm(無處理)減小至27.38 mm(平鋪40層)，降幅51.55%。

2.2.3 模擬路基水平位移結(jié)果分析

水平位移方面，根據(jù)自編Fish程序?qū)⒛M計(jì)算時(shí)路基中最大沉降值進(jìn)行記錄，以便后期數(shù)據(jù)處理。將記錄得到數(shù)據(jù)整理如圖7所示。由圖7可知，各平鋪方案路基與未處理路基相比，發(fā)生在坡腳以下深處的水平位移均有所減小。從力學(xué)性能上來說，由于砂袋間存在的摩擦作用，能夠抵消土體間產(chǎn)生的水平張力，阻止砂袋在水平方向上有限滑動(dòng)，達(dá)到減小水平位移的效果。采用土工袋技術(shù)將道路路基中部分土體挖出、換填，使得土體-土工袋組合體形成柔性的“硬殼體”，其本身具有較大的壓縮強(qiáng)度，在提高路基承載能力和有效限制土體側(cè)向變形方面均發(fā)揮巨大作用。

圖7 各處理方案下路基最大水平位移曲線

綜上所述，在各平鋪方案中，隨著袋裝土層數(shù)增加，路基沉降及水平位移都有所下降。最后一級回填時(shí)，最大沉降值由134.1 mm(平鋪10層)減小至108.11 mm(平鋪40層)，降幅19.38%；沉降差值由102.72 mm(平鋪10層)減小至76.26 mm(平鋪40層)，降幅25.76%；最大水平位移由30.17 mm(平鋪10層)減小至27.38 mm(平鋪40層)，降幅9.25%。相比于未處理路基，所有袋裝土平鋪方案均能減小總體及不均勻沉降，其中平鋪40層時(shí)效果最顯著，由此可以論證土工袋技術(shù)在該工程中作為路基處理手段是有效可行的；在各個(gè)平鋪袋裝土方案中可以看到，隨著袋裝土層數(shù)增加，路基總體沉降和不均勻沉降逐漸減小，這也符合相同受力條件下，應(yīng)變隨材料強(qiáng)度增加而減小的力學(xué)規(guī)律，但沉降量減小幅度不大，均在6%～7%之間。

3 結(jié) 論

本文以武漢天河機(jī)場第二公路S6標(biāo)段工程為研究背景，依照路基處理施工中的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)和監(jiān)測數(shù)據(jù)，運(yùn)用FLAC3D軟件建立有無袋裝土加固路基處理的數(shù)值模型。模擬袋裝土在不同平鋪層數(shù)的條件下，路基發(fā)生的沉降變形情況。研究袋裝土對路基不均勻沉降及承載力的影響，現(xiàn)得到以下結(jié)論：

(1) 運(yùn)用土工袋加固技術(shù)處理后的路基，其沉降變形、不均勻沉降量均明顯小于未處理的路基，說明土工袋加固技術(shù)在路基加固處理應(yīng)用中是完全可行的。

(2) 采用土工袋技術(shù)加固路基不僅可有效提高路基承載力，還可使路基沉降分布更加均勻合理。

(3) 根據(jù)二維有限元袋裝土路基模型的計(jì)算結(jié)果表明，隨著袋裝土平鋪層數(shù)的增加，路基不均勻沉降和路基總體沉降程度會(huì)越來越小。依據(jù)武漢天河機(jī)場二通道S6標(biāo)段K12+300斷面結(jié)構(gòu)尺寸，袋裝土平鋪40層的效果要優(yōu)于其他平鋪層數(shù)。