填筑高度及荷載作用下路基變形數(shù)值分析

【摘 要】施工過程中各工序的質(zhì)量控制會影響路基工程的穩(wěn)定性、安全性，因此必須加強(qiáng)施工中的質(zhì)量控制，滿足設(shè)計(jì)要求。路基填筑過高及荷載過大會使路基產(chǎn)生沉降及水平位移，影響邊坡穩(wěn)定性、安全性，為了研究路基填筑高度及荷載對路基變形的影響，通過FLAC3D軟件建立路基模型，分別進(jìn)行不同條件下數(shù)值模擬，研究結(jié)果表明：路基沉降隨填筑高度和荷載的增加均呈線性關(guān)系增長，并總結(jié)得出路基沉降與填筑高度及荷載的關(guān)系式;坡肩水平位移隨填筑高度和荷載的增加均呈線性關(guān)系增長，并總結(jié)得出坡肩水平位移隨填筑高度及荷載的關(guān)系式。

【關(guān)鍵詞】FLAC3D軟件;填筑高度;荷載;路基沉降;坡肩水平位移

【中圖分類號】U416 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）10-0099-04

0 前言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，公路道路工程日益增多，公路建設(shè)也推動了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通量逐年增加，對路堤穩(wěn)定性、安全性的要求也在逐步增加[1-3]。路堤填筑體沉降是在路堤填筑完成后自身重力及交通荷載作用下產(chǎn)生的壓密和側(cè)向變形，路堤填筑高度和交通荷載作用下會產(chǎn)生附加變形，主要表現(xiàn)為施工后沉降及不均勻沉降，導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)層破壞及路堤滑坡，影響公路工程的性能和壽命[4-6]。土體沉降主要包括主固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降、瞬時(shí)沉降，沉降分析方法主要有分層總和法、實(shí)測沉降預(yù)測法、數(shù)值模擬法[7-9]。馬林等人通過FLAC3D研究重載作用下的路基變形，得出荷載水平對路基沉降的影響程度比填土高度大[5]。宋忠平等人研究武廣客運(yùn)專線路基沉降與地基處理的關(guān)系[10]。薛新華等人通過ABAQUS軟件研究高填方路堤沉降變形特性，得出了路堤沉降隨填筑高度增加而增大[11]。本文以某地鐵車站疏解路為研究背景，采用FLAC3D軟件分析路基填筑高度及荷載對路基沉降和坡肩水平位移的影響，總結(jié)得出路基沉降和坡肩水平位移與填筑高度及荷載的關(guān)系式，為本工程施工提供參考價(jià)值。

1 工程概況

1.1 工程簡介

松山湖站是東莞市城市軌道交通1號線第17座車站，位于松山湖景區(qū)新城路與沁園路交匯處西側(cè)綠島內(nèi)，為地下二層雙島式站臺，呈南北向布置，與規(guī)劃3號線同臺換乘，并設(shè)置聯(lián)絡(luò)線，總長度為404.1 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為49.9 m，采用明挖法施工。

新城路西側(cè)機(jī)動車道及人行道在結(jié)構(gòu)施工場地，需要臨時(shí)占用，根據(jù)“占一還一”的原則，需在新城路西側(cè)新修建由北向南的交通疏解道，道路等級為城市主干路，設(shè)計(jì)車速為60 km/h，由左向右為0.5 m坡肩+3 m人行道+14 m機(jī)動車道，采用水泥混凝土路面。交通疏解道平面圖如圖1所示。

1.2 工程地質(zhì)

松山湖站屬于剝蝕殘丘地貌，地表層局部可見第四紀(jì)沉積層，厚5～16 m，大部分表層出露風(fēng)化殘積黏性土，地形地貌比較開闊平緩，坡度一般在10°以下，水系不發(fā)育，接近準(zhǔn)平原化。擬建工程場地區(qū)域內(nèi)人工填土廣泛分布，主要為回填的黏性土、砂土、碎石、生活垃圾等，人工填土層平均層厚度為4.13 m。

2 路基填筑質(zhì)量控制

2.1 施工前準(zhǔn)備

施工前，技術(shù)人員進(jìn)行施工現(xiàn)場勘查、分析圖紙，編制施工計(jì)劃，選擇級配良好的礫類土、砂類土等粗粒土作為填料，配備好機(jī)械設(shè)備。對施工范圍內(nèi)原地面表層草皮、樹木、腐殖土及生活垃圾等進(jìn)行清理，將影響施工的附屬物及時(shí)拆除?？凭廴纺媳眱蓚?cè)各有一處魚塘，需進(jìn)行抽水、清淤換填工作。測量隊(duì)對路基導(dǎo)線點(diǎn)、水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行放樣。

2.2 清淤換填

科聚三路北側(cè)魚塘存有積水，對交通疏解道施工影響較大，施工前須抽干魚塘內(nèi)的水，清除魚塘底的淤泥，換填1 m厚碎石，分層填筑碎石，采用壓路機(jī)進(jìn)行擠壓密實(shí)，再分層填筑土石方。

2.3 分層填筑

控制好填料的含水率，現(xiàn)場測得填料的含水率為18%，在填筑過程中分層填筑、分層碾壓，路床以下每層填筑厚度為50 cm，路床以上每層填筑厚度為30 cm。分層填筑時(shí)通過水準(zhǔn)儀每10 m控制路基標(biāo)高及縱橫向坡度，路基弧線走向時(shí)每5 m控制填筑標(biāo)高，每層鋪寬超過路堤設(shè)計(jì)寬度為50 cm，以保證完工后的路堤邊緣有足夠的壓實(shí)度。

2.4 路基平整、壓實(shí)

先使用推土機(jī)、挖掘機(jī)初平，然后采用平地機(jī)進(jìn)行精平，保證縱橫向坡度為2%，待填筑面平整后采用18 t振動壓路機(jī)在最佳含水率±2%時(shí)進(jìn)行碾壓，碾壓時(shí)先輕后重、先慢后快、輪跡重疊，碾壓順序：直線段先碾壓路基邊緣，后碾壓路中，曲線段先碾壓內(nèi)側(cè)，后碾壓外側(cè)，輪跡重疊輪寬的1/3～1/2，碾壓4～6遍，達(dá)到無漏壓、無死角，碾壓完成后經(jīng)基底檢測壓實(shí)度合格后方可進(jìn)行繼續(xù)填筑。

2.5 邊坡防護(hù)

按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行路堤邊坡防護(hù)，填筑高度小于3 m時(shí)直接植草防護(hù)，填筑高度大于3 m小于6 m時(shí)，采用三維網(wǎng)植草防護(hù)方案，邊坡坡率為1∶1.5。

施工前進(jìn)行技術(shù)等相關(guān)方面的準(zhǔn)備，施工過程中控制好每道工序質(zhì)量保證路基完成質(zhì)量。分層填筑壓實(shí)后試驗(yàn)測得壓實(shí)度均在96%以上，路堤完成后測得填筑高度1.6 m、2 m、2.4 m、3 m、3.6 m、5 m的坡率分別為1∶2.02、1∶1.67、1∶1.76、1∶1.50、1∶1.56、1∶1.54，滿足設(shè)計(jì)要求。邊坡防護(hù)如圖2所示。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型

FLAC3D是由Itasca公司研發(fā)的連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析軟件，率先將連續(xù)體快速拉格朗日分析法應(yīng)用于巖土工程問題上，能夠準(zhǔn)確地模擬土質(zhì)等材料的三維結(jié)構(gòu)受力特性和塑性流動[12]。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)及實(shí)際情況，數(shù)值模擬時(shí)路基填筑高度分別為1.6 m、2 m、2.4 m、3 m、3.6 m、5 m，坡率均為1∶1.5。根據(jù)路面折減效應(yīng)及參考相關(guān)經(jīng)驗(yàn)[4]，荷載分別為20 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa、60 kPa。填筑高度為5 m時(shí)，數(shù)值模型如圖3所示，深色部分為路基，淺色部分為地基，路基頂面寬度為17.5 m、底面寬度為25 m，地基高度為10 m，地基寬度為35 m，沿Y軸長度為10 m。固定約束地基底面、四周位移，路基頂面不約束，模型共劃分38 000個網(wǎng)格單元，42 021個節(jié)點(diǎn)。

3.2 物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘探鉆孔取樣試驗(yàn)得出地基物理力學(xué)參數(shù)，填筑土體及地基物理力學(xué)參數(shù)見表1。

3.3 數(shù)值模擬

分別進(jìn)行不同荷載、不同填筑高度條件下路基變形數(shù)值模擬，本文只列出荷載為50 kPa，填筑高度為1.6 m、2 m、2.4 m、3 m、3.6 m、5 m時(shí)的數(shù)值模擬云圖（如圖4所示）。

由圖4分析可知，荷載不變時(shí)，隨著路基填筑高度的增加，沉降量也在逐漸增加。

3.4 填筑高度及荷載對路基沉降影響

在相同條件下分別進(jìn)行其余荷載時(shí)不同填筑高度的數(shù)值模擬，通過origin軟件得出填筑高度及荷載對路基沉降的影響（如圖5所示）。

由圖5分析可知，不同荷載條件下，路基沉降量隨填筑高度增加的規(guī)律基本一致，均近似呈線性關(guān)系增長。路基沉降量與填筑高度的關(guān)系通過origin擬合可用如下線性公式表達(dá)。

S=AH+B （1）

公式（1）中，S為沉降量，mm;A和B是與荷載有關(guān)的參數(shù);H為填筑高度，m。由路基沉降量與填筑高度數(shù)據(jù)擬合得出A和B的參數(shù)值（見表2）。

對表2中的A、B參數(shù)分別進(jìn)行擬合得出其關(guān)于荷載P的公式如下。

A=0.103 8P+0.084 7 （2）

B=1.014 6P+0.178 （3）

公式（2）、公式（3）的回歸系數(shù)分別為99.91%、100%，由此可見，這兩個關(guān)系式可以很好地表達(dá)參數(shù)A和B與荷載P的關(guān)系。將公式（2）、公式（3）帶入公式（1）得到路基沉降與填筑高度及荷載的關(guān)系式。

S=（0.103 8P+0.084 7）H+1.014 6P-0.178 （4）

3.5 填筑高度及荷載對坡肩水平位移影響

總結(jié)分析數(shù)據(jù)，得出填筑高度及荷載對坡肩水平位移的影響（如圖6所示）。

由圖6分析可知，不同荷載條件下，坡肩水平位移隨填筑高度增加的變化規(guī)律基本一致，均近似呈線性關(guān)系增長。坡肩最大水平位移為23.09 mm，屬于安全可控范圍，邊坡穩(wěn)定可靠。

坡肩水平位移與填筑高度的關(guān)系通過origin擬合可用如下線性公式表達(dá)。

W=CH+D （5）

公式（5）中，W為水平位移，mm;C和D是與荷載有關(guān)的參數(shù);H為填筑高度，m。由路基沉降量與填筑高度數(shù)據(jù)擬合得出C和D的參數(shù)值（見表3）。

對表3中的C、D參數(shù)分別進(jìn)行擬合得出其關(guān)于荷載P的公式如下。

C=0.068 7P-0.788 （6）

D=0.075 3P+1.13 （7）

公式（6）、公式（7）的回歸系數(shù)分別為97.63%、95.61%，由此可見，這兩個關(guān)系式可以很好地表達(dá)參數(shù)C和D與荷載P的關(guān)系。將公式（6）、公式（7）帶入公式（5）得出坡肩水平位移與填筑高度及荷載的關(guān)系式。

W=（0.068 7P-0.788）H+0.075 3P+1.13 （8）

4 結(jié)語

（1）施工前做好技術(shù)準(zhǔn)備，選備好合適的填料，控制好含水率，施工過程中嚴(yán)格進(jìn)行分層填筑、分層碾壓，待壓實(shí)度合格后再填筑下一層，并做好護(hù)坡防護(hù)，滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）路基沉降隨填筑高度及荷載的增加均呈線性關(guān)系增長，總結(jié)出路基沉降與填筑高度及荷載的關(guān)系式。

（3）坡肩水平位移隨填筑高度及荷載的增加呈線性關(guān)系增加，總結(jié)出坡肩位移與填筑高度及荷載的關(guān)系式，坡肩位移較小，邊坡穩(wěn)定性和安全性較好。

參 考 文 獻(xiàn)

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