寇宏剛 曹 柯

(1.中國人民解放軍92829部隊，廣東 湛江 524037; 2.武漢工程大學資源與土木工程學院，湖北 武漢 430073)

1 工程概況

某路基基礎(chǔ)高出地表4 m，路基頂面寬度為16 m，路基與地表接觸面寬度40 m，路堤材料是砂土。路基的橫斷面左右對稱。水位線與地表平齊，路基下依次為3 m厚的泥炭層和3 m厚的黏土層，黏土層下為密砂層，可以認為是路基的下層固定邊界。路基施工時間為8 d，施工分為四個階段完成，每步施工路基厚度為1 m，施工時間為2 d，并有60 d周期的固結(jié)沉降時間。

2 分析基礎(chǔ)

2.1 幾何模型

鑒于模擬的路基的橫斷面是對稱的，所以采用半結(jié)構(gòu)法，僅選擇右半部分進行模擬。因此，研究將在PLAXIS 2D[1]軟件中就路基右半部分斷面建立分析模型。所建模型簡化如圖1所示，采用15節(jié)點單元。路基下有6 m的軟土層，即3 m厚的泥炭層和3 m厚的黏土層，水位對應(yīng)于原始的地表面。由于密砂層不會出現(xiàn)變形，所以模型下部采用固定邊界幾何模型從路基中間開始考慮40 m寬。

2.2 初始條件

在此模型中，有關(guān)地下水的初始條件設(shè)置如下：1)地下水的密度取值為1 g/cm3，重度為10 kN/m3；2)地下水在路基土體中不流動，處于靜止狀態(tài)，即只產(chǎn)生靜水壓力。另外，如圖1所示，模型中其他條件假設(shè)如下：1)地下水平面即為通過點(0，0，6)和(40，0，6)的平面；2)由于路基斷面的對稱性，模型左側(cè)邊界，即通過點(0，0，0)和(0，0，6)的豎直面設(shè)置為不透水邊界；3)模型右側(cè)邊界，即通過點(40，0，0)和(40，0，6)的豎直面也設(shè)置為不透水邊界；4)其余邊界確定為透水邊界。

在路堤施工之前，沒有路堤的重力作用，建立模型的路堤部分的初始條件只包括靜水壓力，而沒有初始應(yīng)力。為了在分析中加入初始應(yīng)力，假設(shè)在模型中的路堤部分處于凍結(jié)狀態(tài)。因而，可以使用K0-過程計算初始應(yīng)力。同時，也可以接受程序為粘土和泥炭層建議的K0值(基于Jaky公式：K0=sinφ)。

2.3 計算工序

就路基工程施工方面而言，一般應(yīng)包括4個階段，每個階段耗時2 d。前3個階段施工結(jié)束以后，施工暫停，因為路堤土體需要有一個固結(jié)沉降的過程。這個固結(jié)過程持續(xù)約60 d，主要益處是使得路基土體中的孔隙靜水壓力能夠得到充分的消散，并且使路基沉降達到穩(wěn)定。這一階段固結(jié)完成后，可開展第四階段的施工工作。同樣，第四階段施工結(jié)束后，路基也要經(jīng)歷另一個新的固結(jié)沉降過程，這個過程結(jié)束以后便可確定路基的工后沉降。

鑒于路基施工分為4個階段的情況，參數(shù)分析的計算工序應(yīng)分為8個，最后一步計算工序是固結(jié)分析直至最小孔隙水壓力，即為1.0 kPa。在計算分析開始之前，可選擇路基的坡腳為第一個節(jié)點，記為節(jié)點A，以及第二個節(jié)點B(如圖1所示)。選擇這兩個節(jié)點的主要目的是，便于生成超靜孔壓曲線來反映超靜水壓的發(fā)展變化過程。

3 數(shù)值模擬

在分析軟件PLAXIS 2D系統(tǒng)中采用HS材料模型進行分析。其中，用硬化土模型來模擬3種材料，壓力系數(shù)m=0.5，破壞比為Rf=0.85。其他參數(shù)的確定參考PLAXIS 2D用戶手冊。

圖2給出了路基土體中超靜孔隙水壓力隨施工過程的變化情況曲線，該曲線是分段的，明顯的分為8段，分別代表了參數(shù)分析的8個計算工序。曲線的4個下降段顯示，由于采用不排水施工方法，施工過程中超靜孔隙水壓力短時間內(nèi)逐漸增大；曲線的4個上升段顯示，每個施工階段結(jié)束后，由于產(chǎn)生固結(jié)沉降的過程，超靜孔隙水壓力逐漸減小。事實上，施工階段和土體固結(jié)階段是很難嚴格的區(qū)分開來的，在路基施工期土體的固結(jié)現(xiàn)象已經(jīng)開始出現(xiàn)。需要指出的是，相對于土體固結(jié)過程，每個施工階段的時間比較短，此階段的土體固結(jié)可以忽略不計。由圖2中路基土體的超靜孔隙水壓力隨時間變化曲線可知，路基土體在施工階段及施工完成后，完成整個固結(jié)過程所需要的時間超過1 100 d。

分析過程中模擬了施工完成后的超靜水壓分布情況。結(jié)果顯示，最大的超靜水壓出現(xiàn)在路基中心線上、路面下大約3 m。模擬過程執(zhí)行完8個計算工序以后，分析比較8個階段得到的地面和路基的沉降變化結(jié)果，可以得到，由第8計算工序得到的地面和路基的沉降增長量最為顯著，這是因為施工過程中路基土體中的超靜孔隙水壓力逐漸完全消散(如圖2所示中曲線的最后一段隨時間增長逐漸逼近0孔壓線)，路基土體固結(jié)沉降逐漸完成。在路基土體固結(jié)過程完成后，進一步分析路基中超靜孔隙水壓力的分布情況，可得到路基土體的最大超靜孔隙水壓力不超過1.0 kPa。

分析過程中還模擬了路基施工完成后各個位置的位移變化情況。結(jié)果顯示，路基位移變化的最大位移值出現(xiàn)在坡腳附近，幾乎可以達到2.85 m左右。分析中還利用變形網(wǎng)格方法特別評估了第7道工序(不排水施工)的位移計算結(jié)果，通過放大0.5倍的變形網(wǎng)格的分布情況可以看出，由于路基土體固結(jié)變形導致路基坡腳的拱起，由于路基土體施工的不排水條件出現(xiàn)一個腹地，而且不難發(fā)現(xiàn)路基土體在施工和固結(jié)過程中有一個失效機制逐步產(chǎn)生發(fā)展。

圖3給出了路基腳點沉降隨時間的變化情況，圖中曲線也明顯的分為8段，分別對應(yīng)參數(shù)分析的8個計算工序?？芍?，路基腳點沉降在施工階段的較短時間內(nèi)迅速增加，但是在固結(jié)期，路基腳點沉降隨時間的增加并無明顯變化，最終沉降穩(wěn)定在2.6 m左右。

模擬分析還給出了第一階段施工完成后有效應(yīng)力等值線圖、第一階段固結(jié)期結(jié)束有效應(yīng)力等值線圖、第四階段施工完成后有效應(yīng)力等值線圖、第四階段固結(jié)期結(jié)束有效應(yīng)力等值線圖，各個階段有效應(yīng)力均由路堤中部向外逐漸減小，由下至上逐漸減小，且在固結(jié)完成后有效應(yīng)力等值線均向下轉(zhuǎn)動變疏。其中第一階段施工結(jié)束后，最大有效平均應(yīng)力為26.32 kPa，而在固結(jié)結(jié)束后，最大有效平均應(yīng)力增大至31.11 kPa，增大了4.79 kPa；第四階段施工結(jié)束后，最大有效平均應(yīng)力55.82 kPa，而在固結(jié)結(jié)束后，最大有效平均應(yīng)力增大至59.27 kPa，增大了3.45 kPa。

4 結(jié)語

利用HS模型能夠較好地進行路基參數(shù)模擬分析。分析顯示，路基施工包括4個階段、8個計算工序。施工完成后，最大的超靜水壓出現(xiàn)在路基中心之下。路基腳點沉降在施工過程中迅速增加，而在固結(jié)期隨時間的增加并無明顯變化。各個階段有效應(yīng)力均由路堤中部向外逐漸減小，由下至上逐漸減小。

[1] 北京金土木軟件技術(shù)有限公司.PLAXIS巖土工程軟件使用指南[M].北京：人民交通出版社,2010.