基于數(shù)值仿真的輕質(zhì)土換填路堤變形特性研究

謝規(guī)球，薛國毛，鄭 中，李 繁

（1、中交第四公路工程局有限公司 北京 100022；2、中南大學(xué)土木工程學(xué)院 長沙 410075）

0 引言

泡沫輕質(zhì)土因其輕質(zhì)減載的特點(diǎn)在路基工程領(lǐng)域有著良好的適應(yīng)性，相較于普通填土路基，它能有效解決路基不均勻沉降及橋頭跳車難題［1-4］，是目前國內(nèi)外應(yīng)用較廣的的輕質(zhì)填筑材料［5-8］，因此有必要深入探究其換填路堤的變形特性，國內(nèi)相關(guān)學(xué)者在相關(guān)研究領(lǐng)域也作出了一定的貢獻(xiàn)。

楊春風(fēng)等人［9］基于高速擴(kuò)建工程，采用有限元數(shù)值模擬的方法研究擴(kuò)寬路基的應(yīng)力與沉降的變化情況；李群［10］采用數(shù)值仿真手段探究了泡沫輕質(zhì)土置換軟土地基的沉降變形規(guī)律；駱永震等人［11］則基于FLAC3D 有限元軟件，分別模擬了砂土填料與輕質(zhì)土填料填筑過程中的路基應(yīng)力應(yīng)變情況，研究表明輕質(zhì)土換填能夠有效降低施工中的路基沉降變形。

目前有關(guān)泡沫輕質(zhì)土換填路堤的變形特性研究仍滯后于工程實(shí)踐，且缺乏系統(tǒng)的路堤變形量化研究，因此有必要針對不同路堤填料、路堤參數(shù)與結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行深入探究，分析其對于輕質(zhì)土換填路堤變形指標(biāo)的影響效應(yīng)。本文依托廣連高速某區(qū)間的泡沫輕質(zhì)土換填路堤工程，采用有限元軟件開展數(shù)值模型分析。分別針對輕質(zhì)土與普通填土路堤進(jìn)行對比研究，以路堤變形指標(biāo)為因變量，以輕質(zhì)土容重以及輕質(zhì)土路堤基底尺寸為自變量，探明這些參數(shù)對于變形的影響規(guī)律，進(jìn)而為工程提供安全參考。

1 工程概況

廣連高速公路TJ05 標(biāo)段某區(qū)間的泡沫輕質(zhì)土填筑工程，該泡沫輕質(zhì)土換填路堤分析時可分為三部分，包括普通填土段、泡沫輕質(zhì)土段以及填土-泡沫輕質(zhì)土過渡段，其中，輕質(zhì)土路堤段底部寬5 m，頂部寬13 m，高7.5 m；過渡段銜接形式設(shè)置為臺階式，底部寬8 m；填土段路堤底部寬20 m，頂部寬12 m，高7.5 m；實(shí)際施工中一般采用分層澆筑施工的方式，單次澆筑高度為0.6～1.0 m。相應(yīng)的斷面尺寸及測點(diǎn)布置如圖1所示。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，獲得試驗(yàn)區(qū)間巖土層計(jì)算參數(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土層的計(jì)算參數(shù)Tab.1 Calculation Parameters of Geotechnical Layers

圖1 泡沫輕質(zhì)土換填路堤斷面尺寸Fig.1 Sectional Dimension of the Embankment Filled with Foam Light Soil （m）

2 數(shù)值模型

2.1 模型參數(shù)設(shè)定

本換填路堤模型在X向取80 m 長，Y向取40 m長，Z向取60 m 長。模型施加自動約束，即側(cè)面施加水平方向的約束，底部同時施加水平與豎直方向的約束，模型頂面不添加約束邊界。模型計(jì)算中的相關(guān)假定如下：①各地層為勻質(zhì)水平層狀分布，且同一土層性質(zhì)為各向同性；②巖土體變形為小變形；③泡沫輕質(zhì)土采用理想線彈性模型模擬，單元類型為實(shí)體單元，地基土采用摩爾-庫侖本構(gòu)模型；具體模型示意如圖2、圖3所示。

圖2 輕質(zhì)土路堤模型網(wǎng)格示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Light Soil Embankment Model Grid （m）

圖3 輕質(zhì)土路堤模型側(cè)視圖Fig.3 Side View of the Light Soil Embankment Model

2.2 施工工序

為真實(shí)模擬工程實(shí)際中泡沫輕質(zhì)土分層填筑的施工工況，將泡沫輕質(zhì)土層等分為10 層，每層高度0.75 m，通過激活相應(yīng)的填筑層可實(shí)現(xiàn)模擬填筑的效果。主要模擬工序?yàn)椋孩俪跏紤?yīng)力平衡；②進(jìn)行第一層輕質(zhì)土填筑，激活施工荷載以及相應(yīng)的輕質(zhì)土填筑層；③進(jìn)行第二、第三……至第十層的填筑模擬，達(dá)到預(yù)定高度，完成整個模型的計(jì)算。

2.3 模型驗(yàn)證

與現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)所得的路堤基底沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，進(jìn)而驗(yàn)證數(shù)值模型的合理性。現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)主要利用剖面沉降儀以及預(yù)埋設(shè)的剖面沉降管來實(shí)現(xiàn)泡沫輕質(zhì)土路基基底剖面沉降數(shù)據(jù)的采集，現(xiàn)場試驗(yàn)測試點(diǎn)位如圖1 所示。變形對比情況如表2、表3所示。

由表2 可知，對于坡腳處的側(cè)向位移情況，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測值誤差不大，能夠較好地與現(xiàn)場實(shí)測相契合。由表3 可知，關(guān)于基底沉降的計(jì)算結(jié)果，數(shù)值模型與實(shí)測數(shù)據(jù)較為接近，且關(guān)于沉降隨水平方向上的分布規(guī)律也較為一致。綜合上述內(nèi)容可認(rèn)為數(shù)值模型具備一定的合理性。

表2 坡腳處地基側(cè)向位移計(jì)算結(jié)果對比Tab.2 Comparison of the Calculation Results of the Lateral Displacement of the Foundation at the Foot of the Slope

表3 基底沉降計(jì)算結(jié)果對比Tab.3 Comparison of Calculation Results of Basement Settlement

3 泡沫輕質(zhì)土路堤變形參數(shù)分析

3.1 路堤填筑材料

為進(jìn)一步地比較輕質(zhì)土換填的實(shí)際效果，在保持其他工況一致的條件下，將輕質(zhì)土替換為表1 中的人工填土并進(jìn)行模擬填筑，對比兩者的模擬結(jié)果，路基變形情況如圖4、圖5所示。

圖5 輕質(zhì)土與填土路堤基底沉降Fig.5 Settlement of Light Soil and Fill Embankment Bottom

由圖4可以看出，對于本依托工程，若采用普通填土進(jìn)行填筑，上部路堤坡腳處的最大側(cè)向位移約為45 mm，路堤基底以下土體的最大側(cè)向位移為8 mm；而使用泡沫輕質(zhì)土換填路堤的處理方法后，有效將坡腳處路堤側(cè)向變形控制在1 mm 以內(nèi)，地基土的變形控制在4 mm內(nèi)，大大降低了路基的整體側(cè)向位移。

圖4 坡腳處路堤及地基側(cè)向位移Fig.4 Lateral Displacement of Embankment and Foundation at the Toe of the Slope

根據(jù)圖5 可知，輕質(zhì)土與填土路堤基底變形均為沉降，且最大沉降均發(fā)生在距坡腳5 m 左右的位置，整體上兩者具有一致的變形趨勢，沿水平向呈“勺”曲線分布；輕質(zhì)土換填路堤能夠有效降低基底沉降量，主要是通過上部路堤減荷直接影響地基的沉降變形。

3.2 輕質(zhì)土容重

保持其它參數(shù)取值參照表1 不變，分別設(shè)定輕質(zhì)土容重6 kN∕m3、9 kN∕m3、12 kN∕m3、15 kN∕m3五種工況進(jìn)行模擬分析，得到路基位移情況，如圖6、圖7所示。

圖7 不同輕質(zhì)土容重工況下路堤基底沉降Fig.7 Settlement of Embankment Basement under Different Light Soil Bulk Density Conditions

對于不同輕質(zhì)土容重工況下路堤的變形規(guī)律而言，圖6顯示出隨輕質(zhì)土容重的增加，坡腳處路堤與地基側(cè)向位移均呈持續(xù)增加的趨勢，且增大的幅度與容重的增加幅度相當(dāng)。

圖6 不同輕質(zhì)土容重工況下坡腳處路堤及地基側(cè)向位移Fig.6 Lateral Displacement of Embankment and Foundation at Toe of Slope under Different Light Soil Bulk Density Conditions

對于不同輕質(zhì)土容重工況下路堤的變形規(guī)律而言，圖6?顯示出隨輕質(zhì)土容重的增加，坡腳處路堤與地基側(cè)向位移均呈持續(xù)增加的趨勢，且增大的幅度與容重的增加幅度相當(dāng)。

依據(jù)圖7，可以發(fā)現(xiàn)路堤基底沉降與泡沫輕質(zhì)土的容重總體成正比，這主要是因?yàn)檩p質(zhì)土容重直接關(guān)系地基的上覆荷載大小，進(jìn)而影響位移結(jié)果。說明輕質(zhì)土容重對于路基變形具有較大的影響效應(yīng)，實(shí)際中可通過調(diào)整容重改善路基沉降變形情況。

3.3 輕質(zhì)土路堤基底寬度

保持其它參數(shù)取值參照表1 不變，分別設(shè)定輕質(zhì)土路堤基底寬度為5 m、7 m、9 m、11 m 四種工況進(jìn)行模擬分析，得到路基位移情況，如圖8、圖9所示。

圖8 不同輕質(zhì)土路堤基底寬度工況下坡腳路堤及路基側(cè)向位移Fig.8 Lateral Displacement of the Embankment and Foundation at the Toe of the Slope under Different Light Soil Embankment Bottom Width Conditions

圖9 不同輕質(zhì)土路堤基底寬度工況下路堤基底沉降Fig.9 Settlement of Embankment Basement under Differ?ent Light Soil Embankment Basement Width Conditions

根據(jù)圖8可知，坡腳處路堤、地基側(cè)向位移與輕質(zhì)土路堤基底寬度有一定的相關(guān)性，隨著基底尺寸的增大變形也有所增長，但增長幅度較小，可忽略不計(jì)。與之相反輕質(zhì)土路堤基底寬度對基底沉降即沉降量具有較大的影響作用。隨著基底尺寸的增大，基底沉降整體呈增大趨勢，且增幅較為明顯。從最大沉降發(fā)生位置來看，隨著尺寸的增大逐漸向遠(yuǎn)離坡腳方向發(fā)展。這一變化規(guī)律說明了采用泡沫輕質(zhì)土換填施工方法需合理選擇路堤基底尺寸，避免地基產(chǎn)生較大沉降變形。

4 結(jié)語

依托泡沫輕質(zhì)土換填路堤工程，基于有限元模擬手段研究了泡沫輕質(zhì)土換填路堤與常規(guī)填土路堤的變形差異，探究了輕質(zhì)土容重以及輕質(zhì)土路堤基底尺寸對路基結(jié)構(gòu)位移變化的影響，獲得以下結(jié)論：

⑴相較于普通填土，采用輕質(zhì)土換填能夠大大降低路堤載荷從而有效減小坡腳處路堤側(cè)向變形以及基底沉降；

⑵隨輕質(zhì)土容重的增加，坡腳處地基土側(cè)向位移與基底沉降呈持續(xù)增加的趨勢，且增大的幅度與容重的增加幅度相當(dāng)，因此實(shí)際工程中可通過調(diào)整容重改善路基沉降變形情況；

⑶改變路堤基底尺寸對于側(cè)向變形情況的作用較微弱，而對基底沉降即沉降量具有較大的影響作用，尺寸越大沉降量越大，因此采用泡沫輕質(zhì)土換填施工時需合理選擇輕質(zhì)土路堤基底尺寸。