羅克文 張 潭 蔡宇鵬 陳 佳

(1.廣西壯族自治區(qū)玉林公路發(fā)展中心，廣西 玉林 537000； 2.長沙理工大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

0 引言

為減少公路工程對環(huán)境的不利影響，以及方便自身排水設(shè)計的要求，結(jié)構(gòu)物所占據(jù)的比例越來越大。而在軟土上修建涵洞，易發(fā)生不均勻沉降，導(dǎo)致涵洞橫向開裂破壞甚至大角度傾斜，并且在深厚的軟基地帶，涵洞沉降難以預(yù)料，嚴(yán)重時使涵洞沉入地下而無法過水，產(chǎn)生廢涵，軟土地基處理是影響公路工程建設(shè)質(zhì)量的關(guān)鍵。采用片石對軟土地基進(jìn)行處理加固是工程中常用的一種方法，如拋石擠淤法。王艷芳等[1]通過現(xiàn)場檢測及監(jiān)測，以及進(jìn)行室內(nèi)離心模型試驗，表明拋石擠淤法可提高路基強(qiáng)度。任志彬[2]提出拋石擠淤法能夠成功應(yīng)用于流塑狀高靈敏度的淤泥軟土等特殊地質(zhì)條件。姜景山[3]深入研究拋石擠淤法的加固機(jī)理，對拋石擠淤法處治軟土地基后的路基應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析。蘇春暉[4]提出了在片石夯壓加固法的影響范圍內(nèi)，軟土地基承載力滿足設(shè)計要求。蒲文明[5]提出了通過壓填片石技術(shù)加固軟土地基，提高路堤穩(wěn)定性的加固技術(shù)。鄭俊杰等[6]通過分析高填方涵洞應(yīng)力特征，提出了確定涵洞地基承載力容許值的方法?？底舻萚7]通過離心模擬試驗對涵洞工程填筑體的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行模擬，分析涵洞結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理。陳保國等[8]通過分析高填方剛性涵洞的地基承載力，探討涵洞地基承載力受到軟土固結(jié)、埋深與寬度效應(yīng)的影響。鄭俊杰等[9]通過對高填方涵洞應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析高填方涵洞豎向壓力的分布特征和變化規(guī)律。劉保健等[10]對涵洞方法工程的地基承載力與基礎(chǔ)的設(shè)計提出了新建議。上述專家作者大多數(shù)提出了軟基處治方法，以及通過數(shù)值模擬的方法對涵洞的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析。本文為了能夠更好地研究片石軟基處理下涵洞應(yīng)力特性，以某高速公路的實(shí)際情況為背景，采用數(shù)值模擬的方法對片石軟基處理下涵洞應(yīng)力位移規(guī)律進(jìn)行探究,分析片石處治后軟土地基沉降與涵洞受力特性。

1 片石軟基處理

1.1 拋石擠淤原理

拋石擠淤是指通過利用專用的施工機(jī)械設(shè)備將具有一定規(guī)格、材質(zhì)較為堅硬、外觀與力學(xué)性都能夠滿足公路工程建設(shè)設(shè)計要求的片石材料，從一定高度將片石材料拋投至含水率極高的淤泥軟土地基上，使得片石能夠?qū)⒂倌噘|(zhì)軟土擠出并且占據(jù)其位置。殘余淤泥能夠較好地將片石粘結(jié)在一起，形成以片石為承重的填筑體，從而提高地基承載力，減小沉降，提高土體的穩(wěn)定性。采用分層拋填碾壓法進(jìn)行拋石擠淤施工，使淤泥質(zhì)土結(jié)構(gòu)發(fā)生整體剪切破壞，在碾壓過程中使得拋填片石材料重新進(jìn)行排列組合，形成新的結(jié)構(gòu)層。并且這種施工方法無需抽水挖淤，淤泥中的水從片石之間的縫隙排出，使得軟土地基中的超孔隙水壓力逐漸減小，有效應(yīng)力逐漸增大，加速軟土地基固結(jié)，增加軟土地基的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，提高軟土地基整體穩(wěn)定性。

1.2 施工要求

進(jìn)行拋石擠淤施工時宜采用不易風(fēng)化的片石材料。在較為平坦的軟土層，應(yīng)沿路中線向前拋填片石，逐漸向兩側(cè)延伸。在易于流動的泥炭或淤泥軟土地質(zhì)條件，應(yīng)采用粒徑不小于30 cm的片石，采用粒徑小于30 cm的片石含量不得超過20%。在軟土層橫坡坡度陡于1∶10進(jìn)行拋石擠淤施工時，應(yīng)從高側(cè)往低側(cè)進(jìn)行拋投，在低側(cè)邊緣位置多拋投片石材料，使得在低側(cè)邊緣位置填筑起寬度約為2 m的平臺頂面。當(dāng)拋投的片石露出軟土層表面，對其拋投片石產(chǎn)生的空隙宜采用較小的石塊進(jìn)行填塞墊平，使用重型機(jī)械進(jìn)行碾壓，然后在其上設(shè)置反濾層，再進(jìn)行填筑。

2 模型及參數(shù)

2.1 模型建立

本節(jié)針對圓管涵破壞情況進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合實(shí)際加載情況對圓管涵的受力狀況進(jìn)行模擬，模擬部分以路堤的中心線為準(zhǔn)為對稱的結(jié)構(gòu)，現(xiàn)取其中的一半為研究對象對其進(jìn)行數(shù)值模擬?？臻g坐標(biāo)系的建立，坐標(biāo)原點(diǎn)、X軸、Y軸、Z軸的方向分別設(shè)定如下，坐標(biāo)系原點(diǎn)坐標(biāo)O(0，0，0)設(shè)置在圓管涵的基礎(chǔ)線和中心線的交點(diǎn)處，X軸的正方向為右、Z軸的正方向為豎直向上，垂直于分析平面的方向為Y軸方向。

在進(jìn)行圓管涵現(xiàn)場實(shí)際模擬時，其尺寸取值為從路堤中心線取到路堤以外80 m，即路堤的坡腳沿著垂直于路基方向取50 m，圓管涵外徑為1.5 m，圓管涵的壁厚為0.1 m，圓管涵的涵頂填土高度為8.7 m，劃分網(wǎng)格4 491個單元。模型分析示意如圖1所示。

網(wǎng)格建立以后，首先設(shè)置邊界條件。在該模型中，邊界節(jié)點(diǎn)的速度限制，相當(dāng)于在邊界兩側(cè)的邊界值受到限制。而模型中存在的零模型在模擬過程中，初始應(yīng)力的計算和節(jié)點(diǎn)的位移和速度被清除，利用彈性求解的方法不能得到初始應(yīng)力，因此，它是用來解決彈性和塑性的。本例中路基高度為8.7 m，高度方向共劃分了7(9)個單元。

2.2 模型參數(shù)

當(dāng)在軟土上建設(shè)涵洞等構(gòu)造物時，均會發(fā)生沉降和側(cè)向變形，此類沉降、變形必須控制在規(guī)范要求之內(nèi)。且地基處理效果直接影響到涵洞的受力狀態(tài)。采用 FLAC3D有限差分軟件對軟基沉降以及涵洞受力狀態(tài)進(jìn)行分析。模型中采用的各參數(shù)見表1。

表1 各材料模型參數(shù)

3 計算結(jié)果分析

3.1 豎向位移

圓管涵修筑于軟土地基上，當(dāng)軟土地基發(fā)生沉降時會導(dǎo)致軟土地基與圓管涵的協(xié)同受力現(xiàn)象，軟土地基的沉降是否均勻，將會直接導(dǎo)致圓管涵產(chǎn)生應(yīng)力集中與應(yīng)力分散。所以本節(jié)將根據(jù)工程現(xiàn)場實(shí)際加載情況通過數(shù)值模擬的方法對圓管涵的受力狀況及觀測點(diǎn)受力大小進(jìn)行分析研究，分析圓管涵破壞的原因。

工程現(xiàn)場采取了等速較快的加載模式，因此，進(jìn)行數(shù)值模擬計算采用等速較快的加載模式，等速加載的加載速率為0.5 m/d。對此，根據(jù)工程現(xiàn)場實(shí)際情況對模擬對象進(jìn)行分析，如圖2所示。

通過加載過程圖可以看出，圓管涵側(cè)的軟土地基沉降發(fā)生于路堤的表面，因為此時加載高度小，也就是其上作用的荷載比較小，沉降發(fā)生在地基表面。圓管涵的存在對其周圍土體產(chǎn)生了應(yīng)力分散，減小了圓管涵其周圍土體的沉降，但由于此原因造成了周圍土體對圓管涵的應(yīng)力集中現(xiàn)象，導(dǎo)致圓管涵承受的荷載增大。

3.2 側(cè)向位移

對于圓管涵側(cè)向位移圖分析，圖3為涵側(cè)軟土地基在涵頂填土高度為8.7 m時軟土地基路堤的側(cè)向位移圖。

由圖3可見，軟土地基的側(cè)向位移由路堤的坡腳處垂直向下延伸，在軟土地基內(nèi)部的側(cè)向位移將隨深度增大而逐漸增大，但到達(dá)了一定深度之后，隨深度的增加而減小。

3.3 垂直土壓力分布

數(shù)值模擬針時對圓管涵上的應(yīng)力觀測點(diǎn)的垂直土壓力進(jìn)行分析，圓管涵各應(yīng)力觀測點(diǎn)的位置如圖4所示。

通過數(shù)值模擬軟件對工程現(xiàn)場圓管涵實(shí)際加載過程進(jìn)行模擬，對圓管涵其上各應(yīng)力觀測點(diǎn)所承受的垂直土壓力進(jìn)行分析。發(fā)現(xiàn)在加載過程中，圓管涵受到了附加應(yīng)力，且在圓管涵上出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。當(dāng)應(yīng)力集中導(dǎo)致圓管涵的破壞后，圓管涵隨加載高度繼續(xù)增大其應(yīng)力出現(xiàn)了重新分布現(xiàn)象。此現(xiàn)象是經(jīng)過應(yīng)力觀測點(diǎn)1～觀測點(diǎn)6獲得的反應(yīng)。三維數(shù)值模擬中圓管涵各應(yīng)力觀測點(diǎn)隨加載高度的增加其垂直土壓力分布如圖5所示。

由圖5可見，應(yīng)力觀測點(diǎn)1與應(yīng)力觀測點(diǎn)3處的垂直土壓力在三維數(shù)值模擬過程中其模擬值對稱分布，受力大小及受力狀況一致，圓管涵其上附加土應(yīng)力現(xiàn)象表現(xiàn)的十分顯著；應(yīng)力觀測點(diǎn)4與應(yīng)力觀測點(diǎn)6處在加載(軟件運(yùn)行到3e5STEP)時圓管涵中部的側(cè)面，即應(yīng)力觀測點(diǎn)6出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，其數(shù)值模擬出來的垂直土壓力值特別大，但在第四層加載后出現(xiàn)了模擬的垂直土壓力突然減小，隨著加載高度的增大又繼續(xù)增大的過程。這時垂直土壓力在圓管涵上出現(xiàn)了重新分布的現(xiàn)象。在加載過程中應(yīng)力值出現(xiàn)了突變，說明此時圓管涵已發(fā)生了破壞。

4 結(jié)論

基于有限差分軟件對片石處理軟基下的地基沉降及涵洞應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行分析，得出如下結(jié)論：

1)加載高度較小時，經(jīng)片石處理后的軟土地基沉降主要發(fā)生于地基表面。當(dāng)加載到一定高度后，由于圓管涵對土體的應(yīng)力分散作用，使得土體最大側(cè)向位移距離軟土地基地表面具有一定的深度。

2)由于圓管涵與上部回填土、軟土地基之間彈性模量差異過大，圓管涵自身所承受上部荷載增大，其周圍土體出現(xiàn)應(yīng)力分散現(xiàn)象，從而降低其周圍軟土地基的沉降。

3)圓管涵在其加載過程中受到了應(yīng)力集中現(xiàn)象，當(dāng)應(yīng)力突變導(dǎo)致了圓管涵的破壞后，圓管涵其上加載高度繼續(xù)增大其應(yīng)力出現(xiàn)了重新分布現(xiàn)象。