軟土路基沉降三維有限元模擬計(jì)算及計(jì)算精度分析

畢芬芬

摘 要：為了研究軟土路基沉降，本文以某城市快速路為研究對(duì)象，借助FLAC三維有限元計(jì)算軟件，模擬計(jì)算了軟土路基沉降，并對(duì)其計(jì)算精度進(jìn)一步分析，研究結(jié)果顯示：（1）通過(guò)水泥攪拌樁處理后的復(fù)合路基段沉降值較小，小于設(shè)計(jì)沉降允許值，加固方案合理有效;（2）復(fù)合路基段的沉降分布計(jì)算較為精確，計(jì)算誤差率在10%以內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)分別占82.3%。

關(guān)鍵詞：城市快速路;路基沉降;計(jì)算精度;三維數(shù)值模擬

0 前言

道路路基是承受路面及車(chē)輛荷載，并傳遞至地基的關(guān)鍵部分，路基結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)劣直接決定建成后路基沉降量的大小、道路行駛質(zhì)量等。路基病害嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致路基失穩(wěn)，造成重大安全事故[1-3]。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，城市道路網(wǎng)的普及，越來(lái)越多的城市道路由于選線、建設(shè)用地等條件制約，被迫選擇在承載力較差的軟土地質(zhì)區(qū)域。由于軟土具有孔隙比大、含水率高、可壓縮性大、強(qiáng)度低等特點(diǎn)，進(jìn)一步突出了路基穩(wěn)定性與沉降量的問(wèn)題[4]。精確計(jì)算擬建城市道路的路基沉降量，并針對(duì)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(jì)、施工方案的重要保障[5～8]。

新澄楊線位于江陰站北側(cè)，距江陰站僅400 m。新澄楊線與大橋南路在江陰站附近形成“人字”形快速通道。本文以江陰市新澄楊線道路為例，探討三維有限元模擬計(jì)算在軟土路基沉降計(jì)算中的應(yīng)用。

1 模型計(jì)算結(jié)果分析

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。復(fù)合地基的網(wǎng)格劃分及樁基受力情況見(jiàn)圖1。

沉降計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。經(jīng)計(jì)算可知：

（1）施工第542天（施工完成后第93天）實(shí)例工程路基段達(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，沉降值為15.2 cm～27.0 cm。填土層沉降值為5.2 cm～15.3 cm;③粉質(zhì)粘土沉降值為5.8 cm～10.6 cm;細(xì)砂層沉降值為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。

2 計(jì)算精度驗(yàn)證

在本工程施工時(shí)，結(jié)合工程設(shè)計(jì)方案布設(shè)相關(guān)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)土體沉降與傾斜進(jìn)行監(jiān)測(cè)。復(fù)合路基段130個(gè)沉降板處的沉降計(jì)算值與實(shí)測(cè)值見(jiàn)圖3。復(fù)合路基段計(jì)算值為第542天，實(shí)測(cè)值為第576天。

分析圖3可知：

（1）復(fù)合路基段的實(shí)測(cè)值與計(jì)算值平均差為0.44，方差為2.15，相關(guān)性為0.942。130個(gè)測(cè)點(diǎn)中，誤差率小于10%的測(cè)點(diǎn)107個(gè)，占總數(shù)的82.3%;誤差率小于20%的測(cè)點(diǎn)121個(gè)，占總數(shù)的93.0%。擬合計(jì)算精度較高。

（2）總體來(lái)看，實(shí)例工程的模擬計(jì)算值分布較為平順，連續(xù)性較好，實(shí)測(cè)值分布的波動(dòng)性要略高。出現(xiàn)該情況的原因主要為三維數(shù)模計(jì)算時(shí)，采用理想的本構(gòu)模型，認(rèn)為樁與土均為均質(zhì)、同性的材料。同時(shí)，數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)時(shí)的隨機(jī)、偶然性也會(huì)增加數(shù)據(jù)分布的波動(dòng)性。

（3）通過(guò)水泥攪拌樁加固等方法處理后，復(fù)合路基段沉降值較小，小于設(shè)計(jì)沉降允許值。加固方式合理有效。

3 結(jié)論

為了研究軟土地區(qū)路基沉降，本文以新澄楊線為研究對(duì)象，借助FLAC三維有限元計(jì)算軟件，采用數(shù)值模擬計(jì)算了實(shí)例工程的沉降分布，研究了實(shí)例工程復(fù)合路基段的路基沉降。同時(shí)，結(jié)合實(shí)測(cè)值對(duì)比可知，數(shù)值模擬計(jì)算精度較高，能較好的反映實(shí)例工程的沉降分布特性?？梢?jiàn)采用三維數(shù)值模擬計(jì)算來(lái)預(yù)測(cè)軟土路基的沉降分布合理可行，本文研究結(jié)論可為同類工程的計(jì)算、應(yīng)用提供參考。

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