山區(qū)高填方邊坡數(shù)值模擬與監(jiān)測(cè)分析

卜其發(fā)

（大埔縣公路事務(wù)中心,廣東 梅州 514299）

0 引言

山區(qū)公路建設(shè)中的高填方路基邊坡數(shù)量越來(lái)越多，高填方路基施工有助于跨越多類型復(fù)雜環(huán)境，減少公路周圍生態(tài)的破壞。高填方路基填筑周期長(zhǎng)、工程量極大，且在后續(xù)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中容易受到外界環(huán)境及行車荷載影響而產(chǎn)生塌陷、沉降等病害。為此，開(kāi)展高邊坡沉降監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)能夠獲取科學(xué)合理的變形發(fā)展規(guī)律，繼而為公路維修養(yǎng)護(hù)提供理論指導(dǎo)，具有重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)意義。

1 工程概況

廣東省某一級(jí)公路是銜接周圍縣市經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的重要交通渠道，設(shè)計(jì)全長(zhǎng)25 km，設(shè)計(jì)車速80 km/h，雙向四車道，設(shè)計(jì)主線跨越了大范圍山區(qū)丘陵。路段K120+300～K129+450沿線植被覆蓋面積大，填方路基數(shù)量多。其中，K125+200處存在中心填筑高度32 m的高路堤，右側(cè)邊坡高度24 m左右，左側(cè)邊坡高度71 m左右。路堤填筑材料主要采用路段周圍大范圍分布的風(fēng)化素填土、土石混合材料、砌石[1]。其中，下部砌石、中部土石混合材料的穩(wěn)定性、強(qiáng)度較高，項(xiàng)目組對(duì)素填土進(jìn)行室內(nèi)工程試驗(yàn)，其物理性質(zhì)如表1所示。路段地基橫斷面向300 m范圍經(jīng)勘察可知地層巖性由下至上分為以下兩層：粉砂巖層，中風(fēng)化，稍密，含水率高，厚度30 m，重度25 kN/m3，黏聚力1 350 kPa，泊松比0.21；粉質(zhì)黏土層，厚度10 m，低液限，含水量豐富，內(nèi)部粉砂含量高，重度19.5 kN/m3，黏聚力29 kPa，內(nèi)摩擦角22°。該高填方路堤填筑坡度1∶1.5，臺(tái)階式填筑形式，分9層填筑，由下至上分別選取砌石、土石混合材料（填料比50∶50）、風(fēng)化素填土進(jìn)行填筑，路堤頂部填筑寬度25 m?，F(xiàn)場(chǎng)項(xiàng)目組為分析高填方路堤邊坡施工沉降變化規(guī)律，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)和有限元數(shù)值分析，以便為后續(xù)運(yùn)營(yíng)沉降監(jiān)測(cè)及路基維護(hù)管理提供理論支撐[2]。

表1 素填土物理力學(xué)特性

2 有限元分析

2.1 模型構(gòu)建

項(xiàng)目采用ANSYS有限元軟件進(jìn)行該高填方路堤邊坡施工階段沉降分析，路堤采取8級(jí)臺(tái)階式分層填筑。填筑高度32 m，1～2層采用砌石材料，3～5層采用土石混合材料，6～8層則采用素填土填筑施工。項(xiàng)目采用2維實(shí)體單元進(jìn)行路段高填方路堤典型斷面沉降分析，單位類型為8節(jié)點(diǎn)四邊形PLANE82高階單元，有限元模型單元?jiǎng)澐钟陕返添敳恐疗履_逐漸變疏，單元數(shù)24 120個(gè)，單元節(jié)點(diǎn)總數(shù)7 925個(gè)。土體模型采用摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則[3]。有限元模型模擬材料參數(shù)如表2所示，模型構(gòu)建示意圖如圖1所示。

圖1 有限元模型構(gòu)建示意圖

表2 模型材料參數(shù)

2.2 邊界及加載

有限元模型中取X左邊，Y向上方為正向，X為0、300處進(jìn)行邊界垂直和水平向限制。X向長(zhǎng)度范圍設(shè)定為300 m，以便充分弱化邊界效應(yīng)。高填方路堤總共需要8層填筑，填筑坡度1∶1.5。模擬過(guò)程如下：首先需要有限元模型自重應(yīng)力場(chǎng)求解，進(jìn)行位移清零；其次分別進(jìn)行1～8級(jí)荷載施加，各級(jí)材料填筑厚度則均為4 m，分別對(duì)高邊坡沉降變形發(fā)展變化值進(jìn)行記錄。

3 高填方邊坡監(jiān)測(cè)方案

路段處邊坡沉降監(jiān)測(cè)方案布置需要合理選取監(jiān)測(cè)儀器，對(duì)施工階段路堤進(jìn)行分層沉降測(cè)定，繼而進(jìn)行有限元計(jì)算結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，以此評(píng)價(jià)沉降變化規(guī)律。

3.1 設(shè)備選取

路堤斷面K125+200處沉降監(jiān)測(cè)選取沉降管型號(hào)JTMG8600B，PVC材質(zhì)，管壁厚度5 mm，外徑75 mm，每一節(jié)管長(zhǎng)度2.5 m，不同沉降管之間采取接頭銜接加長(zhǎng)處理；監(jiān)測(cè)沉降管需要進(jìn)行鉆孔安裝，孔位深度需要達(dá)到地基表面以下位置；沉降管清潔安裝之后，需要在孔壁、沉降管之間進(jìn)行砂料回填壓實(shí)，這能夠促使磁環(huán)豎向自由移動(dòng)，沉降磁環(huán)需要布置在沉降管上，布置間距4 m，固定環(huán)距沉降磁環(huán)1.5 m；沉降管依照次序進(jìn)行嚴(yán)格組裝，接頭處需要采用土工布進(jìn)行包裹密封；設(shè)備安裝結(jié)束之后，則要采用水泥砂漿進(jìn)行封孔，現(xiàn)場(chǎng)做好位置標(biāo)記；沉降觀測(cè)階段需要采用鋼尺進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取、記錄，且不同讀數(shù)均需要二次復(fù)讀以確保其準(zhǔn)確性，最終讀數(shù)選取兩次讀數(shù)的平均值[4]。

3.2 監(jiān)測(cè)布置

沉降管監(jiān)測(cè)孔位布置在左右側(cè)路堤路肩處，孔底深入地面以下，沉降環(huán)序號(hào)由上至下進(jìn)行排列。對(duì)路堤分層填筑內(nèi)部的沉降變化規(guī)律進(jìn)行實(shí)測(cè)，沉降孔深度選取為15～25 m，孔徑90 mm，不同監(jiān)測(cè)孔位布置信息如表3所示，沉降孔布置位置示意圖如圖2所示[5]。

表3 沉降監(jiān)測(cè)孔參數(shù)

圖2 沉降孔布置位置示意圖

4 結(jié)果評(píng)價(jià)

4.1 沉降監(jiān)測(cè)孔監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

項(xiàng)目組進(jìn)行沉降現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)收集，1、2號(hào)監(jiān)測(cè)孔不同磁環(huán)所監(jiān)測(cè)的沉降量隨時(shí)間變化規(guī)律如圖3所示。其中，沉降監(jiān)測(cè)始于2021年9月，截至2022年5月。監(jiān)測(cè)記錄數(shù)據(jù)表明，不同孔位磁環(huán)即便處在同一填筑高度也具備不同的沉降記錄值，這表明沉降變形受到沉降孔位置影響較大；不同孔位沉降環(huán)沉降值隨時(shí)間變化規(guī)律整體保持一致性，前期沉降發(fā)展速率變化較大，后期達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；磁環(huán)沉降值隨著磁環(huán)布置高程的增大而增大，其中高填方路堤填筑施工周期為84 d，在84 d位置處的磁環(huán)沉降發(fā)展速度產(chǎn)生明顯變化，84 d以內(nèi)的磁環(huán)沉降速度明顯大于84 d之后，路堤填筑期間土體固結(jié)沉降及施工擾動(dòng)造成的沉降變形速率明顯要大；1、2號(hào)監(jiān)測(cè)孔位的磁環(huán)1能夠代表路堤頂部最大沉降值，工后沉降穩(wěn)定后最大值分別為0.19 m、0.15 m。

圖3 磁環(huán)沉降量時(shí)間關(guān)系曲線

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

項(xiàng)目對(duì)該有限元模型進(jìn)行分級(jí)加載，獲取不同填筑階段的相應(yīng)孔位沉降變化值，具體如圖4所示。

圖4為有限元計(jì)算不同孔位磁環(huán)在不同加載工序下的沉降變化情況。其中，監(jiān)測(cè)孔位1、2的磁環(huán)單元id分別為3 169，118，768，4 137，5 520；3 846，367，836，4 233。有限元分析中分級(jí)填筑最大位移發(fā)生區(qū)域主要集中在填筑施工頂部；1、2級(jí)砌石填筑產(chǎn)生的位移較小，這主要?dú)w因于整體厚度偏小，且地表土層受到的豎向荷載幾乎沒(méi)有產(chǎn)生一定的壓縮變形，3～8級(jí)填筑過(guò)程中，隨著高度的增大，路堤豎向沉降變形呈現(xiàn)先增大后減小的發(fā)展趨勢(shì)，沉降速率最大值主要出現(xiàn)在5～7級(jí)填筑過(guò)程中。填方土體重量提供豎向荷載，地基承受應(yīng)力隨著填筑層數(shù)的增多而增大，最大沉降值計(jì)算結(jié)果主要出現(xiàn)在不同孔位的1號(hào)磁環(huán)，其中，1號(hào)監(jiān)測(cè)孔計(jì)算最大沉降值為0.22 m，2號(hào)監(jiān)測(cè)孔計(jì)算最大沉降值為0.19 m；相較于監(jiān)測(cè)方案所獲取的記錄數(shù)據(jù)，有限元分析結(jié)果要明顯偏大，但是兩者沉降發(fā)展變化規(guī)律整體保持一致，計(jì)算結(jié)果也較為吻合實(shí)際發(fā)展?fàn)顟B(tài)，模擬計(jì)算方法具備良好的可執(zhí)行性。考慮到數(shù)據(jù)對(duì)比的差異性，項(xiàng)目組認(rèn)為具有以下幾個(gè)原因：該高填方路堤在實(shí)際填筑施工階段，不同土層的填筑材料也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的固結(jié)沉降，伴隨著填筑的進(jìn)行而不斷完成固結(jié)。后續(xù)填筑荷載的不斷增大，會(huì)導(dǎo)致下層土層受到的豎向應(yīng)力不斷增加，促使其壓縮量、密實(shí)度增大，導(dǎo)致實(shí)際路堤整體沉降量的縮??；項(xiàng)目采取有限元計(jì)算方法則難以充分考慮施工過(guò)程中影響沉降的不確定因素，整體模擬過(guò)程較為理想化，土層在填筑荷載施加完成前后，則認(rèn)為是處在完全固結(jié)狀態(tài)，最終獲取的計(jì)算數(shù)值會(huì)大于實(shí)際沉降值。除此之外，實(shí)際填筑施工中的填方材料參數(shù)（容重、彈性模量、級(jí)配等）都對(duì)其沉降速率及工后沉降值有較大影響，而模擬階段構(gòu)建的單元密度、單元類型、邊界條件等也會(huì)產(chǎn)生沉降數(shù)據(jù)的偏差[6]。

圖4 有限元計(jì)算各磁環(huán)分級(jí)加載沉降曲線

5 總結(jié)

我國(guó)山區(qū)公路建設(shè)中經(jīng)常出現(xiàn)高填方邊坡，路基高填方邊坡結(jié)構(gòu)能夠克服局部復(fù)雜地形環(huán)境，為項(xiàng)目建設(shè)質(zhì)量提供保障。路基高填方邊坡沉降變形是邊坡穩(wěn)定性分析的重要內(nèi)容，過(guò)大的沉降值極容易造成公路路基破壞和行車安全隱患，開(kāi)展高填方邊坡現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)及數(shù)值分析能夠?yàn)槌两狄?guī)律預(yù)測(cè)提供必要基礎(chǔ)。該文依托具體工程進(jìn)行監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)及ANSYS模擬，獲取以下結(jié)論：高填方路基路肩處為最大沉降產(chǎn)生位置，計(jì)算模擬值相對(duì)于實(shí)際監(jiān)測(cè)值要偏大，這主要受限于施工過(guò)程中較多沉降影響因素；模擬及監(jiān)測(cè)沉降發(fā)展規(guī)律具有一致性，項(xiàng)目工后沉降滿足規(guī)范要求。