高陡坡路堤工后沉降數(shù)值模擬研究

摘 要：為研究不同加固方式對高陡坡路堤工后沉降的影響，本文以山東某山區(qū)高速公路為研究對象，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，利用ABAQUS有限元軟件，研究了強(qiáng)夯技術(shù)、土工格柵兩種加固條件下，路堤頂面沉降量的變化。研究結(jié)果表明：填土材料前期蠕變變形明顯，其蠕變應(yīng)變隨著荷載增加不斷變大。與夯實(shí)技術(shù)相比，土工格柵可以顯著減少填土路堤頂面沉降量。距路堤頂面右端0m處沉降量：強(qiáng)夯技術(shù)減少了14.75%，土工格柵減少了80%。距路堤頂面右端26m處沉降量：強(qiáng)夯技術(shù)減少了28.1%；土工格柵減少了57.7%。在鋪設(shè)土工格柵條件下，填土路堤的最大沉降量在距路堤右端約8m處，且土工格柵的鋪設(shè)間距對沉降量的影響較小。

關(guān)鍵詞：加固方式；高陡坡路堤；沉降；數(shù)值模擬

中圖分類號：U 41" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

高速公路的飛速發(fā)展是我國經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步提升的基礎(chǔ)，新增高速公路多修建在復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)，時(shí)常面臨路基差異沉降、邊坡滑移等病害威脅，嚴(yán)重危害行車安全、縮短使用壽命、增加養(yǎng)護(hù)成本等[1]。因此，如何有效防治高陡坡路堤病害成為眾多學(xué)者的研究重心。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對陡坡地基上超高填路堤的變形及治理措施進(jìn)行一系列研究，并取得了豐富的研究成果。丁玉仁[2]基于FLAC3D數(shù)值模擬軟件，研究了坡度、坡面及坡腳形式對路堤沉降、水平位移的影響；陳明非等[3]介紹了土工格柵加筋土的優(yōu)點(diǎn)，并觀測了土工格柵加筋土路堤的豎向、水平位移情況；李桂花[4]研究了鉆孔注漿防治措施對軟土地基路堤沉降的防治效果；董海洋[5]研究了灰土擠密樁對濕陷性黃土地基高填方路堤沉降量及沉降速率的影響；彭儀普等[6]基于ABAQUS軟件，研究了不同CFG樁樁長、樁徑、墊層厚度等條件下，地基沉降量的變化規(guī)律。綜上所述，路堤沉降的防治措施多樣，防治效果各有千秋，但對強(qiáng)夯技術(shù)、加筋技術(shù)防治效果的研究較少。

鑒于此，本文以山東某山區(qū)高速公路為研究對象，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，采用ABAQUS有限元軟件，研究強(qiáng)夯技術(shù)、土工格柵對路堤沉降的影響，為高陡坡路堤沉降防治措施選擇提供依據(jù)。

1 填料室內(nèi)試驗(yàn)研究

試驗(yàn)所用材料取自山東某山區(qū)高速公路高陡坡填土路堤。制備5組500g填土試樣，含水率分別設(shè)置為2%、4%、6%、8%、10%。對其進(jìn)行基本物理試驗(yàn)，所得填土級配數(shù)據(jù)見表1。

山東某山區(qū)高速公路高陡坡填土路堤采用分層（10m）填筑，填筑高度為40m，因此對壓實(shí)度93%的飽和試樣進(jìn)行室內(nèi)壓縮固結(jié)蠕變試驗(yàn)。設(shè)置土顆粒密度為2g/cm3，分別施加荷載200kPa、400kPa、600kPa、800kPa模擬分層填筑，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知，填土試樣在試驗(yàn)前期蠕變速率較大，隨著試驗(yàn)進(jìn)行，速率逐漸減至0，試樣變形趨于穩(wěn)定。最終累計(jì)應(yīng)變：3.9%（800kPa）＞3.0%（600kPa）＞1.9%（400kPa）＞1.46%（200kPa），說明填土試樣最終累計(jì)應(yīng)變隨荷載增加而增加；增加速率（荷載每增加100kPa，試樣應(yīng)變增加量）為0.73%/100kPa（200kPa）＞0.5%/100kPa（600kPa）＞0.4875%/100kPa（800kPa）＞0.475%/100kPa（400kPa），說明荷載對填土試樣應(yīng)變的增加效果前期較為顯著，后期效果減弱。

根據(jù)李瓊林等[7]對土體蠕變本構(gòu)模型的研究，公式（1）可以更好地描述填土的蠕變特征。

（1）

式中：ε為任意時(shí)刻試樣的應(yīng)變大??；A、m、n為蠕變本構(gòu)模型三參數(shù)；σ為試樣的加荷大??；t為試驗(yàn)時(shí)間。

由圖1可知，填土試樣的蠕變?nèi)齾?shù)擬合結(jié)果：A為3.14×10-9，m為1.19，n為-0.9，可以為后續(xù)工況數(shù)值模擬中材料蠕變參數(shù)選取提供依據(jù)。

2 數(shù)值模型建立

本文以山東某山區(qū)高速公路為研究對象，路堤采用填土材料分層（10m）填筑，填筑高度為40m，陡坡坡度為40°，坡率為1∶1.5，路堤頂面寬為26m。利用ABAQUS有限元軟件建立該工況數(shù)值模型，如圖2所示，相關(guān)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表2。

應(yīng)用強(qiáng)夯技術(shù)后，由于土體壓實(shí)度改變，因此彈性模量也會(huì)發(fā)生變化，說明彈性模量與夯實(shí)次數(shù)有關(guān)[8]。彈性模量變化如圖3所示。

由圖3可知，填土材料強(qiáng)夯后，彈性模量隨強(qiáng)夯次數(shù)增加而變大，強(qiáng)夯2次、3次、4次的彈性模量分別為57.20MPa、70.51MPa、81.79MPa。因此，可通過不同的強(qiáng)夯技術(shù)改變填土路堤的沉降，控制路堤的變形。土工格柵的材料參數(shù)見表3。

3 結(jié)果分析

3.1 強(qiáng)夯技術(shù)的影響

研究強(qiáng)夯技術(shù)對路堤頂面的沉降影響，圖4為強(qiáng)夯2次與未強(qiáng)夯條件下，路堤頂面沉降量的變化曲線。

由圖4可知，路堤頂面沉降量隨距路堤頂面右端距離增加而逐漸減少，且減少速率也在不斷降低。強(qiáng)夯技術(shù)可以顯著減少路堤頂面的沉降量，且幅度隨距路堤頂面右端距離增加呈降低趨勢。當(dāng)距路堤頂面右端0m時(shí)，未強(qiáng)夯時(shí)沉降量為80mm，強(qiáng)夯2次的沉降量為68.2mm，強(qiáng)夯技術(shù)使距路堤頂面右端0m處的沉降量減少了14.75%。當(dāng)距路堤頂面右端26m時(shí)，未強(qiáng)夯的沉降量為8.2mm，強(qiáng)夯2次的沉降量為5.9mm，強(qiáng)夯技術(shù)使距路堤頂面右端26m處的沉降量減少了28.1%。

由圖3可知，填土材料彈性模量隨強(qiáng)夯次數(shù)增加而變大。因此，在不同夯實(shí)次數(shù)條件下，路堤頂面沉降量的變化如圖5所示。

由圖5可知，隨著夯實(shí)次數(shù)增加，路堤頂面沉降量在逐漸減少，但效果在不斷減弱。當(dāng)距路堤頂面右端0m時(shí)，未強(qiáng)夯時(shí)的沉降量為80mm，強(qiáng)夯2次的沉降量為68.2mm，強(qiáng)夯3次的沉降量為64mm，強(qiáng)夯4次的沉降量為59.7mm，距路堤頂面右端0m處的沉降量分別為5.9mm/次（強(qiáng)夯2次）＞5.3mm/次（強(qiáng)夯3次）＞5.1mm/次（強(qiáng)夯4次）。當(dāng)距路堤頂面右端26m時(shí)，未強(qiáng)夯的沉降量為8.2mm，強(qiáng)夯2次的沉降量為5.9mm，強(qiáng)夯3次的沉降量為4.3mm，強(qiáng)夯4次的沉降量為3.6mm，距路堤頂面右端26m處的沉降量降低效果分別為1.3mm/次（強(qiáng)夯3次）＞1.15mm/次（強(qiáng)夯2次、4次）。

3.2 土工格柵的影響

為研究土工格柵對路堤頂面的沉降影響。在路堤及地基之間設(shè)置厚度為20cm、間隔0.5m的土工格柵，得到鋪設(shè)土工格柵條件下的路堤頂面沉降量，如圖6所示。

由圖6可知，土工格柵大幅度減少了路堤頂面沉降量，當(dāng)距路堤頂面右端0m時(shí)，未鋪設(shè)土工格柵的沉降量為80mm，鋪設(shè)土工格柵的沉降量為16mm，土工格柵使距路堤頂面右端0m處的沉降量降低了80%。當(dāng)距路堤頂面右端26m時(shí)，未鋪設(shè)土工格柵的沉降量為8.2mm，鋪設(shè)土工格柵的沉降量為5.2mm，土工格柵使距路堤頂面右端26m處的沉降量降低了57.7%。在鋪設(shè)土工格柵條件下，填土路堤的最大沉降量在距路堤右端約8m處。

為研究土工格柵的鋪設(shè)間隔對路堤頂面沉降量的影響，另外設(shè)置鋪設(shè)間隔為1m的工況，在3種條件下，路堤頂面沉降量如圖7所示。

由圖7可知，在鋪設(shè)間隔1m與鋪設(shè)間隔0.5m兩種條件下，路堤頂面沉降量曲線基本重合，說明兩種鋪設(shè)間距對沉降量的影響較小。

4 結(jié)論

本文以山東某山區(qū)高速公路為研究對象，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)，基于ABAQUS有限元軟件，研究強(qiáng)夯技術(shù)、土工格柵對路堤頂面沉降的影響，得到以下結(jié)論。1）填強(qiáng)夯技術(shù)能夠有效減少路堤頂面的沉降量，且隨著夯實(shí)次數(shù)增加，路堤沉降量逐漸減少，但效果逐漸減弱。特別是在距路堤頂面右端的不同距離處，強(qiáng)夯技術(shù)對沉降量的降低幅度表現(xiàn)出明顯差異。2）鋪設(shè)土工格柵可以顯著減少路堤頂面的沉降量，尤其是在靠近路堤頂面右端的區(qū)域，沉降量減少幅度更為明顯。不同鋪設(shè)間隔對沉降量的影響較小，表明在實(shí)際工程中可選擇較為經(jīng)濟(jì)合理的鋪設(shè)間距。

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