趙　峰

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300142)

Large Particle Filling Process Settlement Analysis of Railway Rock-Filled Embankment

ZHAO Feng

鐵路填石路堤大粒徑填料填筑過(guò)程沉降分析

趙峰

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300142)

Large Particle Filling Process Settlement Analysis of Railway Rock-Filled Embankment

ZHAO Feng

摘要對(duì)試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)填石路堤大粒徑硬質(zhì)填料填筑過(guò)程進(jìn)行研究，分析填筑過(guò)程中路堤的受力變形及大粒徑硬質(zhì)巖填料對(duì)路堤沉降的影響。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)元器件測(cè)得的實(shí)測(cè)值與有限元數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比分析，提出控制鐵路填石路堤沉降應(yīng)采取的措施。

關(guān)鍵詞填石路堤沉降有限元模擬大粒徑

1概述

硬質(zhì)巖石棄碴材質(zhì)優(yōu)良，但開(kāi)挖出來(lái)的棄碴粒徑及級(jí)配大多不滿足《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10001—2012)中對(duì)填料的要求，不能直接用做填料，需要再次篩選后才能使用，這樣勢(shì)必增加大量的工程投資和人力物力，同時(shí)影響施工進(jìn)度。由于西南山區(qū)獨(dú)特的地形地貌，采用路基形式通過(guò)時(shí)必然產(chǎn)生大量的高填深挖，這些地區(qū)有豐富多樣的石料可供開(kāi)采，在開(kāi)挖深路塹和隧道施工中本身就產(chǎn)生大量的石質(zhì)棄碴，這為填石路堤提供了大量可用的填料。

試驗(yàn)段選在貴陽(yáng)至廣州鐵路小碧聯(lián)絡(luò)線右線，位于貴陽(yáng)市南明區(qū)小碧鄉(xiāng)，處于貴州東南山區(qū)。試驗(yàn)段主要測(cè)試的是路堤本體的填筑壓實(shí)質(zhì)量和沉降，根據(jù)地質(zhì)資料，填料來(lái)源地的灰?guī)r、白云巖(W2)弱風(fēng)化，屬Ⅴ級(jí)次堅(jiān)石，A、B組填料，填料粒徑為150 mm。 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段的攤鋪總共分七層，每層攤鋪厚度50 cm。在填石路堤的整個(gè)施工過(guò)程中，從最大限度降低路堤工后沉降和滿足安全穩(wěn)定性角度出發(fā)，研究大粒徑填料填筑過(guò)程中的沉降變化，進(jìn)而提出控制填石路堤質(zhì)量的施工工序。

2試驗(yàn)過(guò)程及模型建立

2.1　試驗(yàn)填料粒徑控制及元器件埋設(shè)

現(xiàn)場(chǎng)為篩選填料制備試驗(yàn)篩1個(gè)，孔徑為150 mm，之后將篩分出來(lái)的填料均勻堆放，待現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)抽樣檢測(cè)填石料的不均勻系數(shù)和粗顆粒的相對(duì)含量。

剖面管的設(shè)置走向應(yīng)垂直于線位方向，剖面沉降管用專用塑料硬管制作，其變形能力比較符合上覆填料的位移情況，剖面沉降管內(nèi)的橫向?qū)к壊郾仨毠饣?，無(wú)顆粒阻塞，兩端接口無(wú)縫隙，同時(shí)采用土工布或毛巾包扎嚴(yán)密，以阻止較小顆粒填料滲入管內(nèi)。在埋設(shè)時(shí)需先開(kāi)挖溝槽，溝槽深30～40 cm左右，管頂部至填料底部不少于10 cm，考慮到本試驗(yàn)段填料的粒徑比較大、形狀不規(guī)則、材質(zhì)硬度高等特點(diǎn)，在埋設(shè)剖面管時(shí)溝槽須用細(xì)砂填壓并密實(shí)，但不能壓力過(guò)大，破壞剖面管。在第一層填料填筑之前應(yīng)禁止壓路機(jī)、卡車等重載通過(guò)，防止剖面管被壓壞，同時(shí)在伸出路堤坡腳的兩端應(yīng)做好端頭保護(hù)密封措施(如圖1)。

圖1　試驗(yàn)段元器件埋設(shè)平面(單位：m)

2.2　模型的建立

采用MIDAS/GTS建立路堤二維模型，并用累加的方法分析計(jì)算路堤的每個(gè)施工填筑階段，每個(gè)階段都要考慮上一階段的計(jì)算結(jié)果，在此基礎(chǔ)上增加本階段的計(jì)算成果。同時(shí)，新階段施加的單元在計(jì)算時(shí)忽略上一階段產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變，新加入的單元在激活階段不考慮其內(nèi)部已產(chǎn)生的應(yīng)力。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的攤鋪情況總共分七層。在二維施工階段分析過(guò)程中，為進(jìn)一步比較深入的分析施工過(guò)程，將其分為八個(gè)施工階段，每個(gè)階段施加的荷載為換算的均布荷載，分析路堤在每層攤鋪壓實(shí)過(guò)程中不同階段的應(yīng)力、應(yīng)變和變形，并與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析，以便全面掌握填石路堤在填筑過(guò)程中的沉降變化，從而控制施工工藝，指導(dǎo)施工過(guò)程(如圖2)。

圖2　二維路堤模型

計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1　填料和地基的材料力學(xué)參數(shù)

3結(jié)果與分析

大粒徑石質(zhì)填料主要以摩擦力和碎石間的咬合力為主，是幾乎沒(méi)有黏聚力的摩擦性材料。路堤的抗剪強(qiáng)度主要來(lái)自填石料顆粒間的摩擦力和咬合力，填料中細(xì)顆粒含量較少，不均勻系數(shù)較差，填充性不如土體填筑密實(shí)，填筑體內(nèi)的孔隙率較大。填筑壓實(shí)層在施加荷載的瞬間產(chǎn)生沉降總和，這部分沉降在施工期荷載施加結(jié)束時(shí)完成。碎石在荷載作用下，克服顆粒間的摩擦力，產(chǎn)生滑動(dòng)和滾動(dòng)，移動(dòng)到較為密實(shí)和更為穩(wěn)定的平衡位置上，顆粒間的孔隙被壓縮，體積顯著減少，填筑體不斷被壓實(shí)，這部分產(chǎn)生的變形是填筑體壓縮變形的主要部分。

由有限元計(jì)算可得，選取未攤鋪前，分別攤鋪第三、五、七層后四個(gè)階段的位移沉降(如圖3和表2)，在攤鋪厚度、路堤邊界條件及施加的荷載相同的情況下，八個(gè)施工階段總的沉降隨著層數(shù)的增加數(shù)值不斷增大，且增加的幅度較為一致，每層沉降值在18.5 mm左右，相鄰層的沉降差幾乎沒(méi)有變化。在施工過(guò)程中，隨著攤鋪層數(shù)的增加和受到壓路機(jī)的反復(fù)振動(dòng)碾壓作用，每層沉降比較穩(wěn)定，累計(jì)最大沉降值為128.79 mm(如圖4)。

圖3　不同施工階段的路堤沉降

在壓路機(jī)的振動(dòng)壓實(shí)作用下，路堤路肩和路堤斷面中心點(diǎn)的沉降值隨攤鋪層數(shù)的增加不斷增大，路堤總的沉降為17.25 mm，斷面中心部位總的沉降為26.93 mm，每層沉降不大，第一層攤鋪后沉降值最大。隨著攤鋪層數(shù)的增加，沉降增加的不是很明顯，總體沉降值較小。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)路堤壓實(shí)度的各種方法進(jìn)行分析，路堤的壓實(shí)度滿足要求。

圖4　有限元模擬的各層沉降曲線

由表3結(jié)果所示，試驗(yàn)段現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的七層剖面管總的沉降值為149.21 mm，各層最大沉降值變化幅度很小，數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定。剖面管埋設(shè)于路堤本體的底部，與線路縱向垂直，橫穿路堤斷面下部，長(zhǎng)度為34 m。路堤本體部分是對(duì)稱的，可取其中一半(17 m)計(jì)算分析。將剖面管沿路堤橫斷面位置分為10個(gè)點(diǎn)，由坡腳至路堤中心分別為0 m、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、12 m、17 m，路堤中心部位10 m區(qū)域的沉降變化沿橫向X軸方向變化很小，每間隔5 m取一點(diǎn)，坡腳部位位移值變化很明顯。為精確分析，每隔1 m取一點(diǎn)，計(jì)算得到的數(shù)值如圖4所示。

從圖4各層填筑后的路堤模擬沉降曲線可以看出，在坡腳到中心斷面的0～7 m范圍內(nèi)，沉降數(shù)值接近呈現(xiàn)正弦規(guī)律的變化，隨著離坡腳越來(lái)越近，數(shù)值不斷減小，各層沉降值隨著層數(shù)的增加，數(shù)值增加的幅度總體比較一致，變化較為穩(wěn)定。層數(shù)增加，曲線總趨勢(shì)呈明顯上升，由第一層的18 mm變化到接近100 mm，增加的幅度顯著。距中心7 m處，由7 m部位到路堤中心各層沉降值變化不大，曲線大致處于小幅水平增加，趨勢(shì)平緩，七層的七條曲線變化總體趨勢(shì)相同，模擬每層壓實(shí)后的路堤底部各點(diǎn)位移變化值相差較小。隨著層數(shù)的增加，接近坡腳位置的沉降呈現(xiàn)一定的由小到大再到小的變化趨勢(shì)，這是因?yàn)殡S著路堤高度的增加，路堤頂部橫斷面在減小，荷載長(zhǎng)度也在遞減，導(dǎo)致坡腳的最大位移向中心位置移動(dòng)，坡腳沉降減小。

表2　數(shù)值分析結(jié)果的累計(jì)最大沉降值

表3　剖面管沉降值

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的剖面管沉降值如圖5，曲線大體上沿著橫斷面中心兩邊對(duì)稱分布，每層曲線變化規(guī)律，數(shù)值大小和變化趨勢(shì)大體上一致。路堤在分層填筑過(guò)程中，地基沉降變大 且呈波浪形，在路堤兩側(cè)處地基沉降相對(duì)較小?？傮w上看，沉降最大值在路堤的中心附近，向兩邊坡腳遞減，且越接近坡腳處，沉降值變化越大，變化幅度也越大，數(shù)值則不斷減小。第一層壓實(shí)后，沉降比較明顯，原因是地基在振動(dòng)碾壓后，地基表面被壓實(shí)，沉降較大，而在此后的第二至第七層碾壓后，沉降隨之在增大，但變化不明顯。對(duì)比圖4和圖5可看出，數(shù)值模擬計(jì)算的各層曲線和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得的各層沉降曲線，在總體變化趨勢(shì)和數(shù)值上較接近。

圖5　現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得的各層沉降曲線

4結(jié)論

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)與數(shù)值計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較分析，從而更加準(zhǔn)確的得到路堤在各個(gè)施工階段過(guò)程中的沉降變形特性。本試驗(yàn)中數(shù)值模擬得到的總沉降值與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試值相差20.41 mm，兩種方法所得結(jié)果繪成的沉降曲線圖變化趨勢(shì)比較一致?？紤]到試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算的誤差影響，數(shù)值模擬的結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)較為吻合，大粒徑硬質(zhì)灰?guī)r填料的每層壓實(shí)效果也滿足規(guī)范的要求?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)受到的影響因素較多，如壓路機(jī)碾壓重疊，測(cè)點(diǎn)附近填料粒徑不均勻以及施工時(shí)中間部位設(shè)置的強(qiáng)震區(qū)、兩邊弱震區(qū)等，都可能會(huì)影響到測(cè)量的結(jié)果，從而使測(cè)得的沉降值波動(dòng)較大。有限元模擬得到的數(shù)值較為穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果基本上能夠反應(yīng)出填石路堤大粒徑硬質(zhì)巖填料在施工填筑過(guò)程中的沉降變形，可以作為同類型填筑料的施工參考。

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中圖分類號(hào)：U416.1； U213.1+57

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7479(2015)01-0060-03

作者簡(jiǎn)介：趙峰(1984—)，男，2013年畢業(yè)于西南交通大學(xué)巖土工程專業(yè)，助理工程師。

收稿日期：2014-12-03