榮韶婧 韓云山 段偉 秦偉華

中北大學(xué)理學(xué)院（030051）

黃土山區(qū)高填方沉降變形的研究

榮韶婧 韓云山 段偉 秦偉華

中北大學(xué)理學(xué)院（030051）

這里研究了黃土山區(qū)高填方邊坡在寬高比、填方高度參數(shù)影響下自重作用的沉降變形，采用了符合巖土材料的Mohr-Coulomb本構(gòu)模型，對(duì)高填方邊坡沉降變形問題進(jìn)行了彈塑性有限元平面應(yīng)變分析，模擬了同一填方高度、同體積、不同寬高比對(duì)黃土山區(qū)高填方沉降變形的影響，以及不同高度高填方的沉降變形規(guī)律。

高填方；寬高比；沉降量

0 引言

工程實(shí)踐表明，黃土山區(qū)地基沉降是強(qiáng)夯高填方地基面臨的一個(gè)重要問題之一。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，建設(shè)用地將日趨緊張。為避免與良田爭地，許多城市提出了“工業(yè)出城、項(xiàng)目上山”的發(fā)展戰(zhàn)略，即在黃土山區(qū)進(jìn)行高填方造地。當(dāng)前,利用“開山填谷”解決黃土山區(qū)公路建設(shè)及機(jī)場基地建設(shè)用地的項(xiàng)目日趨增多。由于“開山填谷”所形成的土石方工程量大、挖方大、高填方、極松散且不均勻的工程場地的填方地基處理問題,黃土山區(qū)造地面臨著高填方的沉降變形問題，湯東、楊有輝通過分析路堤高度與沉降變形關(guān)系，認(rèn)為路堤自身的沉降對(duì)路堤總的沉降影響很大[1]。李靜榮等以實(shí)際工程沉降觀測資料為依據(jù),分析了填方高度對(duì)沉降的影響，認(rèn)為路基沉降量隨著填方高度的增加而增加[2]。這里利用Midas分析軟件就不同寬高比、不同填方高度對(duì)高填方邊坡沉降變形的影響進(jìn)行建模分析，以研究其與沉降變形之間的內(nèi)在關(guān)系，為黃土山區(qū)高填方邊坡工后沉降的控制提供相應(yīng)的理論基礎(chǔ)。

1 有限元模型

1.1 計(jì)算假定

1）填方土體為均質(zhì)土。

2）認(rèn)為填方土體為各向同性連續(xù)介質(zhì)。

3）填方土體發(fā)生的是理想彈塑性變形。

4）填方土體的變形是在自重作用下產(chǎn)生的，不考慮高填方邊坡上附加荷載及氣候的影響。

5）不考慮高填方土體中孔隙水壓力的影響。

1.2 建模中的本構(gòu)關(guān)系

建模中采用通用的理想彈塑性本構(gòu)模型以及土力學(xué)中常用的Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算分析。Mohr-Coulomb準(zhǔn)則用平面狀態(tài)下的主應(yīng)力可以表示成:

寫成一般屈服條件形式，為:

Mohr-Coulomb屈服條件的屈服面是一個(gè)不規(guī)則的六角形截面的角錐體表面，其在Ⅱ平面上的投影如圖1所示。

圖1 Ⅱ平面上的Mohr-Coulomb屈服曲線

1.3 有限元幾何模型及參數(shù)

在高填方邊坡填土力學(xué)參數(shù)相同、位移約束條件相同的情況下，模型中選取20 m、25 m、30 m、35 m、40 m的高填方邊坡進(jìn)行建模計(jì)算，并且選30 m、40 m、50 m的填方高度保持邊坡體積不變，通過改變坡高比對(duì)高填方的沉降變形進(jìn)行計(jì)算分析。

高填方邊坡沉降變形是平面應(yīng)變問題，在建模時(shí)對(duì)模型的位移條件作如下假定:模型左右邊界水平方向位移為零，允許有豎直方向的變形，底部邊界豎直方向位移為零，模型如圖2。建模中高填方邊坡采用同一種填土材料，模型中的土體力學(xué)參數(shù)如表1。

圖2 高填方模型模擬結(jié)果及分析

表1 土體力學(xué)參數(shù)

2 模擬結(jié)果及分析

2.1 同高度、同體積、不同寬高比填方沉降變形

在同一高度邊坡體積不變，在自重作用下高填方的沉降量可能發(fā)生變化。在建模計(jì)算過程中，寬高比選1～2.0的9個(gè)值，同一高度下的體積都是以寬高比為1時(shí)的體積作為基準(zhǔn)，選取30 m、40 m、50 m的填方高度保持體積不變、不同寬高比的高填方邊坡建模，并進(jìn)行沉降變形分析，計(jì)算得出邊坡沉降變形值如表2與圖3、圖4、圖5。

表2 不同寬高比高填方沉降變形

圖3 30 m的高填方

圖4 40m的高填方

圖5 50m的高填方

表2是30 m、40 m、50 m高填方保持邊坡體積不變?cè)诓煌瑢捀弑认绿罘降某两盗浚瑢捀弑扰c沉降量的關(guān)系以圖3、圖4、圖5的形式表示出來。綜合分析三個(gè)圖可以看出，隨著寬高比的增大，高填方的沉降量呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢。在實(shí)際工程施工中，從邊坡的穩(wěn)定性考慮,寬高比越大邊坡穩(wěn)定性越高，但相應(yīng)的填方沉降量也變大。因此，同體積的高填方應(yīng)選擇合適的寬高比，且同時(shí)滿足穩(wěn)定性和沉降量的施工要求。

2.2 不同填方高度邊坡的沉降變形

保持各力學(xué)參數(shù)相同寬高比為1.5的高填方邊坡進(jìn)行建模,分別選取20 m、25 m、30 m、35 m、40 m的高填方邊坡進(jìn)行沉降變形的分析，計(jì)算結(jié)果如表3與圖6。

表3 不同高度的邊坡沉降變形值

表3是不同高度的高填方邊坡的沉降量。圖6表示了高度與沉降量的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，隨著填方高度的增加，沉降量逐漸增大，二者呈近似的線性正比例關(guān)系。

圖6 不同高度填方沉降量

3 結(jié)論

根據(jù)建模計(jì)算分析可知，高填方邊坡的沉降量與填方高度呈近似的線性正比例關(guān)系。在30 m、40 m、50 m填方高度、保持邊坡體積不變時(shí)，隨著寬高比的增大填方沉降量呈逐漸增大的趨勢。在實(shí)際工程中對(duì)于同體積的高填方應(yīng)選擇合適的寬高比以同時(shí)滿足穩(wěn)定性和沉降量的要求。

[1]湯東,楊有輝.路堤高度與沉降變形關(guān)系的計(jì)算分析[J].公路交通技術(shù),2007(9):1～3.

[2]李靜榮,徐曉宇.填方高度對(duì)高填方路基沉降影響分析[J].巖土工程界,2006,9(7).