許孝飛 朱耀光 賀鈺濤 王向陽

(1.湖北交投建設(shè)集團有限公司 武漢 430070; 2.武漢理工大學(xué)交通與物流工程學(xué)院 武漢 430063)

在山地復(fù)雜地形條件下,由于填料、壓實程度、填筑高度等多種因素的影響,導(dǎo)致高填方路堤在施工階段的變形很難控制,存在很大的安全隱患。因此,研究高填路堤在不同工況填筑階段中的變形特征和規(guī)律,有助于保證高填方路基工程的設(shè)計、施工和運營安全。

杜耀輝等[1]通過土工離心機模型試驗,分析了泥質(zhì)軟巖和3種改性填料路基的沉降規(guī)律。吳寶福[2]通過現(xiàn)場觀測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對比了不同壓實度下路堤工后沉降量,為填方路堤工后沉降計算和控制提供一定的參考。趙建軍等[3]以重慶某高速公路為背景,研究路堤填筑變形破壞機理及孔隙水壓力與路基變形的關(guān)系。張春濤[4]研究了高填方路堤不均勻沉降的機理及原因,提出3種不均勻沉降的防治措施;葛苗苗等[5]對高填方的工后沉降進行反演和預(yù)測,發(fā)現(xiàn)施工期產(chǎn)生沉降的主要原因是非飽和土孔隙氣壓密及排氣固結(jié),原地基和填方厚度的不均勻是地表差異沉降的主要原因;Jia L.等[6]為研究自重和車輛共同作用下高填方路堤施工后的沉降,對路堤沉降隨時間和空間的演變規(guī)律進行分析。張樂等[7]以樂山至西昌高速公路某處取樣,考慮粒度分布、干濕循環(huán)、填方高度,以及邊坡坡度等因素下紅土層高填路堤施工過程中的沉降及穩(wěn)定特性,然后利用極差分析獲知各因素的作用效應(yīng)主次程度。

目前,國內(nèi)外對高填方路堤的受力、變形等常見問題都進行了大量的模擬分析,但是,其利用有限元軟件所建立的數(shù)值模型大多較理想化,與實際工程中的地形條件難以吻合。本文以“十巫北高速公路”為工程載體,借助于ABAQUS有限元軟件,對高填方路堤在不同影響因素下的變形特征和規(guī)律進行研究,并結(jié)合實際工程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比。以期揭示絹云母片巖填料路堤在實際填筑過程中的變形特征和規(guī)律,為施工安全提供保障。

1 工程概況

依托項目位于湖北省十堰市西北部,呈南北走廊。北起于鄖西縣城南側(cè),與福銀高速相連,南止于鄖陽區(qū)鮑峽鎮(zhèn),連接十天高速公路。十巫北高速公路項目經(jīng)理部主要承擔(dān)K0+433.718-K11+200段的線路全長10.766 km的土建工程。該地區(qū)土質(zhì)大部分為絹云母片巖,絹云母片巖屬于軟巖或較軟巖,強度低,遇水軟化、易崩解,難以壓實,進而導(dǎo)致運營后路堤不均勻沉降,形成路面病害。

擬研究路段為ZK2+850-ZK3+020路段,結(jié)構(gòu)形式為分離式路堤,ZK2+880的典型控制斷面見圖1。

臺階式路基設(shè)計,坡率為1∶1.5～1∶2.0,設(shè)置邊坡平臺,平臺寬度為2 m,路堤頂部寬度為12.75 m,中心填土高度為38.755 m。路堤采用分層填筑,填筑材料為絹云母片巖土石混合料,填方下臥層依次為碎石土、強風(fēng)化白云鈉長石英片巖、中風(fēng)化白云鈉長石英片巖。

2 有限元模型

2.1 本構(gòu)模型選擇

采用ABAQUS軟件可用于巖土工程的塑性模型中的Mohr-Coulomb模型應(yīng)用于路堤填筑研究時,所得結(jié)果更符合實際[8]。

采用ABAQUS模擬分析時,將路堤填料的材料視為各向同性;當(dāng)微元體內(nèi)任一點的剪應(yīng)力等于剪切強度時,微元體將在該位置發(fā)生失效[9],該準則的表達式如式(1)。

τ=c-σtanφ

(1)

式中:τ為剪切強度;c為路堤填料的黏聚力;σ為路堤填料的正應(yīng)力;φ為路堤填料的內(nèi)摩擦角。

Mohr-Coulomb破壞模型圖見圖2。

圖2 Mohr-Coulomb破壞模型圖

τ=scosφ

(2)

σ=σm+ sinφ

(3)

將式(2)和式(3)代入式(1)中可得

s+σmsinφ-ccosφ=0

(4)

綜上所述,在π平面上,Mohr-Coulomb和Mises的屈服模型見圖3。

圖3 平面上Mohr-Coulomb和Mises的屈服模型

采用ABAQUS分析填筑路堤的變形特性時,使用了擴展的經(jīng)典Mohr-Coulomb屈服準則。經(jīng)過擴展后,Mohr-Coulomb屈服函數(shù)的流動勢函數(shù)在平面上不再存在尖角,而是在子午平面內(nèi)變成了雙曲線形狀,說明勢函數(shù)是光滑的[10]。

2.2 模型的建立

由于公路的縱向特點,將有限元分析簡化為平面應(yīng)變問題。將ZK2+880斷面作為研究對象建立二維有限元模型。由于研究段為分離式路基,為方便模擬,取左側(cè)高填方路堤進行模擬,地基長度取60 m,厚度取10 m,按理想彈塑性材料進行模擬,服從Mohr-Coulomb屈服準則。

地基表面設(shè)置為排水邊界,路堤模型底邊約束所有位移及轉(zhuǎn)角,路堤的對稱面邊界約束水平位移及轉(zhuǎn)角。全局網(wǎng)格劃分尺寸為0.2 m×0.2 m,路堤填料采用CPE4劃分單元;下部地基采用CPE4P劃分單元,有限元模型見圖4。

圖4 有限元模型

模擬施工過程中的分層填筑,采用ABAQUS中的生死單元法定義各填充層之間的載荷施加順序。為減少模擬計算的誤差,在模擬計算前先對地基進行地應(yīng)力分析。

3 有限元結(jié)果分析

3.1 不同填筑層厚度下的路堤位移分析

在現(xiàn)場施工過程中,采用分層填筑法進行施工,由于路堤填筑過程是一個逐級加載的過程,即路堤逐級施工填筑時,只有已填筑土體來承擔(dān)填筑的這部分荷載,上層土體不受下層土體的影響。所以填筑施工層厚的選擇對沉降的影響重大。為了研究高填方路堤的分層填筑層厚與沉降及側(cè)向位移之間的關(guān)系,按照施工規(guī)范要求,高填方路堤填筑層厚應(yīng)小于2 m,因此以填筑層厚0.7,1,1.3,1.6 m 4種工況進行分析,各巖土層物理力學(xué)參數(shù)取值見表1。路堤最大沉降和最大側(cè)向位移隨填筑層厚的變化曲線見圖5、圖6。

表1 各巖土層物理力學(xué)參數(shù)取值

圖5 路堤最大沉降隨填筑層厚變化曲線圖

圖6 路堤最大側(cè)向位移隨填筑層厚變化曲線圖

由圖5可知,路堤最大沉降隨著填筑層厚的增加而增大。其中一次性完全填筑施工完成后的沉降量達到1 117 mm,比1 m/層進行分層填筑施工完成后的沉降多621.7 mm。填筑1.6 m/層比0.7 m/層沉降減少16.6 mm。由圖6可見,填筑層厚對側(cè)向位移無明顯的影響。所以應(yīng)綜合考慮減少沉降和側(cè)向位移的影響以及經(jīng)濟因素,選擇合適的填筑層厚。

3.2 不同路堤填方高度下的路堤位移分析

高填路堤的沉降量最主要來源是填筑體自身的沉降,所以填方高度對路堤變形有重要影響。在填筑時,按照規(guī)范要求,按照1 m/層進行填筑。路堤坡面特征部位沉降和側(cè)向位移隨填筑層數(shù)變化曲線見圖7、圖8,路堤坡腳和5級平臺沉降見圖9。

圖7 坡面各點沉降隨填筑層數(shù)變化曲線圖

圖8 坡面各點側(cè)向位移隨填筑層數(shù)變化曲線圖

圖9 坡腳和五級平臺沉降隨填筑層數(shù)變化圖

由圖7可知,高填路堤填筑高度與沉降量呈正相關(guān),沉降在前期發(fā)展較快,后期隨著填筑高度的增加,沉降會出現(xiàn)一定的回彈情況,隨后沉降逐漸減緩趨于穩(wěn)定。由圖8可知,在路堤填筑前期,側(cè)向位移受整體沉降趨勢的影響,位移向坡內(nèi)輕微發(fā)展,之后逐漸轉(zhuǎn)向坡外,到了填筑中后期,隨填筑層數(shù)穩(wěn)步增長。

而坡腳和5級平臺的沉降與其他坡面情況不一致,圖9表明,靠近坡腳處出現(xiàn)了一定的隆起,越靠近坡腳,隆起情況越嚴重,且隆起值隨著填方高度的增加而增加,坡腳隆起最大值達到24.26 mm。因此,在有類似的高填路堤工程時,當(dāng)填筑高度增加,不僅要關(guān)注其豎向沉降量變化,還需額外關(guān)注坡腳向上隆起的情況。

3.3 不同彈性模量下的路堤位移分析

填料彈性模量的取值也是路堤施工質(zhì)量控制的關(guān)鍵指標之一,為了分析彈性模量對高路堤變形的影響,通過調(diào)整路堤填料彈性模量E,設(shè)置為5,8,10,15,20 MPa,對比路堤沉降和側(cè)向位移,獲得以路堤變形模量對路堤中心沉降沿縱向方向分布的影響曲線和路堤20 m高度處側(cè)向位移沿水平方向分布,結(jié)果見圖10、圖11。

圖10 路堤中心沉降沿路堤縱向分布圖

圖11 路堤側(cè)向位移沿水平方向分布圖

圖10表明,路堤最大沉降并不發(fā)生在最頂層,而是發(fā)生在1/3～1/2路堤高度之間。隨著彈性模量的提高,路堤的沉降逐漸減小。這種影響趨勢對路堤中部影響比較顯著,而對路堤頂層和底層影響較小。在彈性模量小于15 MPa時,路堤的彈性模量對沉降影響較大,當(dāng)彈性模量由5 MPa增加至10 MPa時,路堤最大沉降減小41.6%。當(dāng)彈性模量由15 MPa增大至20 MPa時,高路堤最大沉降僅減小9.43%,由此可見,彈性模量對路堤沉降的影響是有一定范圍的。

由圖11可知,路堤側(cè)向位移隨著路堤彈性模量的增加而逐漸減小,且側(cè)向位移最大處遠離路堤中心,在路堤坡面附近。這是由于路堤變形模量增大,路堤側(cè)向約束作用增強,路堤側(cè)向位移逐漸減小,且當(dāng)彈性模量大于15 MPa時影響較小。

這也說明,當(dāng)路堤填料彈性模量大于15 MPa后,試圖通過增大路堤填料彈性模量來減小沉降和側(cè)向位移是不經(jīng)濟的。

3.4 不同地形下的路堤位移分析

以往研究高填土路堤變形應(yīng)力和穩(wěn)定性的數(shù)值模型大多是理想化的,與實際填筑過程和地形條件難以吻合。按照1 m/層加載,填料彈性模量為15 MPa進行建模,通過調(diào)整地面線形狀,將路基地面坡度設(shè)置為0°、3.5°和7°的直線拉坡,以及實際地面線形狀,4種工況對比路堤沉降和側(cè)向位移,獲得不同地形對路堤中心沉降沿縱向方向分布的影響曲線見圖12,以及不同地形下坡腳側(cè)向位移隨填筑層數(shù)變化曲線見圖13。

圖12 路堤中心沉降沿路堤縱向分布圖

圖13 坡腳側(cè)向位移隨填筑層數(shù)變化圖

圖12表明,路基坡度越緩,路堤最大沉降量越大。其中地基坡度為0°的最大沉降量達到803 mm,比實際地面線的最大沉降量多307.7 mm。這主要是因為路基坡度越緩,路堤填筑量越大荷載越大,由此產(chǎn)生的沉降量也隨之增加。所以在模擬過程中要考慮實際路基坡度,不能簡單地對地面水平直線拉坡。

選取路堤坡腳為代表點對不同地形下路堤側(cè)向位移進行分析。由圖13可知,坡腳處的側(cè)向位移隨著路基坡度的減小而增大。其中地基坡度為0°的最大側(cè)向位移達到364.7 mm,比實際地面線下的最大側(cè)向位移多48.6 mm。這是由于路基地面坡度越緩,路堤填料對側(cè)向的擠壓作用增強,導(dǎo)致側(cè)向位移增大。因此,在填筑施工過程中,遇到地基平緩的高填方路堤更要注意其沉降和側(cè)向位移,必要時可以進行一定的地基處理后再填筑。

3.5 不同填料壓實度下的路堤位移分析

根據(jù)相關(guān)規(guī)范,在填筑路堤過程中需要進行壓實處理,路堤的壓實度一般在90%以上。為了分析路堤壓實度對路堤沉降和側(cè)向位移的影響,建立90%,92%,94%,96%,98%壓實度下的路堤模型,根據(jù)相關(guān)試驗,不同壓實度路堤填料的力學(xué)特性見表2。

表2 不同壓實度的路堤填料的力學(xué)特性表

在此基礎(chǔ)上比較其路堤中心沉降沿路堤縱向分布(見圖14)和路堤高度20 m處的側(cè)向位移沿水平方向分布(見圖15)。

圖14 路堤中心沉降沿路堤縱向分布圖

圖15 路堤側(cè)向位移沿水平方向分布圖

由圖14可見,隨著壓實度的增大,路堤填料的抗壓強度增加,路堤中心的沉降值逐漸降低,且對路堤中部沉降影響較大。隨著壓實度的增大,路堤壓實度由90%提高到98%,路堤沉降值由0.396 7 m降低至0.356 9 m,降低了約10.03%;對比壓實度90%與未壓實路堤沉降,路堤沉降值降低了20%。可見,提高路堤填料的壓實度可以有效降低路堤的沉降量。

根據(jù)圖15所示,隨著壓實度的增大,距坡腳20 m處的路堤側(cè)向位移逐漸減小。路堤壓實度由90%提高到98%,路堤的最大側(cè)向位移由0.215 8 m降低至0.174 3 m,降低了約19.23%;對比壓實度90%與未壓實路堤最大側(cè)向位移,由0.316 1 m降低至0.215 8 m,路堤側(cè)向位移降低了31.73%。因此,在施工時需在綜合考慮各種因素,如施工機械、經(jīng)濟成本等前提下,制定合理的填料壓實度標準。

4 現(xiàn)場實測結(jié)果分析

4.1 觀測點布設(shè)

本研究在數(shù)值模擬計算基礎(chǔ)上,對十巫北高速公路路線ZK2+880斷面沉降進行了現(xiàn)場觀測。現(xiàn)場試驗段的沉降觀測采用分層沉降觀測方法進行,在試驗段控制斷面的四級臺階處設(shè)置沉降觀測樁,并每天監(jiān)測、記錄數(shù)據(jù)。觀測裝置為由鋼管和沉降板組成的沉降觀測樁,通過測量鋼管上端高程變化和鋼管長度,使沉降板的高程不斷向上傳遞,進而計算沉降觀測點的沉降值。

4.2 實測沉降觀測分析和數(shù)值模擬對比

現(xiàn)場觀測分層沉降觀測點的累積沉降,經(jīng)過整理ZK2+880斷面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù),得到沉降觀測點填筑過程沉降實測值與數(shù)值模擬對比變化曲線見圖16。

圖16 實測沉降與數(shù)值模擬對比圖

由圖16可證明模擬計算的準確性,與路堤中部沉降模擬趨勢相同。其沉降變形規(guī)律為前期發(fā)展較快,后隨著時間的增加填筑高度逐漸加大,沉降逐漸減緩趨于穩(wěn)定。受到現(xiàn)場施工技術(shù)和環(huán)境等因素的影響,數(shù)值模擬沉降值略大于實測最終沉降值。

5 結(jié)語

本文采用大型有限元軟件ABAQUS作為技術(shù)手段并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行絹云母片巖土石混合料高填方路堤變形特征和規(guī)律研究,通過選取典型的路堤斷面,分析了分層填筑不同層厚、不同填方高度、不同填料彈性模量、不同地基地形坡度和不同的填料壓實度對于高填方路堤沉降及側(cè)向位移的影響,得出相應(yīng)結(jié)論。

1) 在施工過程中,路堤最大沉降值隨著填筑層厚的的增加而增大,而填筑層厚對側(cè)向位移并沒有明顯的影響。其中一次性完全填筑比1 m/層進行分層填筑的最大沉降多621.7 mm。

2) 路堤沉降和側(cè)向位移隨路堤高度的增加而增大。路堤沉降在填筑前期增長速度較快,中后期逐漸放緩,靠近坡腳處出現(xiàn)了一定的隆起,越靠近坡腳隆起情況越嚴重,且隆起值隨著填方高度的增加而增加。在填筑前期,坡面?zhèn)认蛭灰葡蚱麦w內(nèi)部輕微發(fā)展,然后逐漸轉(zhuǎn)向坡體外側(cè)。

3) 路堤沉降和側(cè)向位移隨彈性模量的增大而減小,當(dāng)填料彈性模量小于15 MPa時,路堤的彈性模量對沉降有顯著影響,當(dāng)路堤土彈性模量由5 MPa增至10 MPa,高路堤最大沉降隨之減小41.6%。而當(dāng)彈性模量由15 MPa增至20 MPa后,其對路堤沉降和側(cè)向位移影響明顯變小。

4) 在不同地形的路基坡度下,路基坡度越緩,路堤最大沉降量和側(cè)向位移越大,其中地基坡度為0°的最大沉降量比實際地面線的最大沉降量多307.7 mm,其最大側(cè)向位移比實際地面線下的最大側(cè)向位移多48.6 mm。

5) 隨著壓實程度的增加,路堤中心沉降和側(cè)向位移逐漸減小。路基壓實度由90%提高到98%,路堤沉降降低約10.03%,最大側(cè)向位移降低了約19.23%。

6) 對比現(xiàn)場監(jiān)測與模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),路堤中部沉降趨勢相同。沉降規(guī)律為在前期發(fā)展較快,后隨著填筑高度逐漸增大,沉降逐漸減緩趨于穩(wěn)定。