高 山

(廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530022)

高速公路作為現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施,是建設(shè)現(xiàn)代化交通的重要基礎(chǔ)。高速公路路基在鋪筑期間以及長(zhǎng)期的行車荷載作用下,會(huì)發(fā)生路基沉降,致使路基產(chǎn)生附加應(yīng)力,進(jìn)而加速路面結(jié)構(gòu)的破壞[1-4]。因此,研究路基沉降問題,對(duì)我國(guó)耐久性路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及使用具有重要意義。

目前,我國(guó)的道路研究者已采用有限元分析法或者現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)等手段對(duì)高速公路路基沉降問題進(jìn)行了相關(guān)研究。樊振[5]綜述了路基沉降機(jī)理及監(jiān)測(cè)方法,并利用Abaqus有限元建立路基沉降模型,研究發(fā)現(xiàn)路基壓實(shí)度、填方高度及填筑厚度對(duì)路基沉降具有顯著影響。王銳等[6]采用Abaqus軟件對(duì)高緯度多年凍土地區(qū)進(jìn)行溫度場(chǎng)沉降分析,研究發(fā)現(xiàn),隨著填筑高度的增加,凍土沉降變形逐漸增大。張相凱[7]建立了軟土地區(qū)路基沉降有限元模型,研究了路基填筑高度、路基土重度以及不同路面寬度時(shí)的工后路基不均勻沉降,并基于簡(jiǎn)化的路面結(jié)構(gòu)沉降模型,計(jì)算了路基沉降產(chǎn)生的附加應(yīng)力。周禹[8]采用Ansys有限元軟件建立了高填方路基沉降模型,研究發(fā)現(xiàn)基于不同土質(zhì)類型、填筑高度以及不同施工工藝下的路基沉降變形規(guī)律與室內(nèi)離心模型試驗(yàn)得到的規(guī)律一致。孫孝謙[9]基于數(shù)值模擬軟件對(duì)成都地區(qū)塑料排水板及碎石樁路基處治技術(shù)進(jìn)行路基沉降分析,研究發(fā)現(xiàn)兩種處治技術(shù)均能有效控制軟土路基沉降變形。楊錦鳳與周浪峰[10]應(yīng)用FLAC 3D軟件對(duì)高填方路基沉降進(jìn)行模擬,研究發(fā)現(xiàn),在填挖交界處采用土工格柵鋪筑以及采取增強(qiáng)補(bǔ)壓措施增大路基壓實(shí)度均能有效減少路基的工后沉降。

1 計(jì)算模型與參數(shù)設(shè)置

1.1 平面模型及材料參數(shù)

為了準(zhǔn)確模擬路基堆載沉降過程,在仿真分析時(shí),采用高速公路的模型,路基的模型是關(guān)于中心軸對(duì)稱的,為了簡(jiǎn)便建模分析過程,因此取半個(gè)路基進(jìn)行分析。路基頂面寬17.25 m,邊坡取1∶1.5。地基水平方向取60 m,高度取20 m,以消除地基水平邊界條件的影響。地基填料為粉土,路基填料為低液限黏土和3%水泥改良低液限黏土。路基分級(jí)填筑加載過程,分四層填筑,填筑高度為6.8 m,前三層低液限黏土每層填筑高度為2 m,第四層3%水泥改良低液限黏土填筑高度為0.8 m。路基與地基土材料參數(shù)見表1。

表1 路基與地基土材料參數(shù)

1.2 荷載及邊界條件

設(shè)定荷載以及邊界條件,約束模型左側(cè)水平位移與轉(zhuǎn)角位移(U1 與UR3設(shè)置為0)右側(cè)只約束水平位移,固定模型底邊所有位移(U1、U2與UR3均設(shè)置為0)。假定地下水位位于地基表面,地應(yīng)力平衡分析步開始之前將地基表面孔壓邊界設(shè)為0,土體側(cè)向?yàn)椴慌潘吔?孔隙比不隨深度的變化而變化,施工填筑期路基填土載荷以體力形式施加,工后15年沉降荷載為在路基表面設(shè)置向下的0.5 MPa的均布荷載。分析過程打開幾何非線性,采用完全牛頓求解準(zhǔn)則進(jìn)行求解。

2 路基施工填筑期分級(jí)堆載模擬結(jié)果

2.1 孔隙水壓力變化規(guī)律

路基分層填筑期孔隙水壓力變化結(jié)果如圖1所示。

圖1 填筑期孔隙水壓力變化云圖

從圖1中可以看出:各個(gè)階段最大孔壓值均出現(xiàn)在路基中線以下地基底部,其原因?yàn)榈鼗撞渴艿降膲嚎s作用較大,且該處距離地基表面最遠(yuǎn),孔隙水壓力很難通過上部排水邊界消散;各個(gè)階段孔壓值均不一樣,填土2 m完畢最大孔壓13.71 kPa,填土2 m固結(jié)后最大孔壓1.34 kPa。填土完畢最大孔壓4.19 kPa,填土完畢固結(jié)后最大孔壓0.39 kPa。

孔壓變化隨路基填筑的增加和間歇呈現(xiàn)減小趨勢(shì),孔壓最大值出現(xiàn)在填筑第一層土完畢時(shí)刻,其原因?yàn)樘钪_始后對(duì)地基產(chǎn)生的附加應(yīng)力增大,當(dāng)超過一定的臨界高度時(shí),路基土最上層土體產(chǎn)生的附加應(yīng)力經(jīng)下部路堤土體擴(kuò)散后,傳到地基上的附加應(yīng)力變小,孔隙水壓力也開始變小。施工完成后地基孔壓高壓區(qū)范圍逐漸減小且有向右水平移動(dòng)趨勢(shì),其原因可能為:路堤填筑期的地基底部產(chǎn)生高孔壓區(qū)孔隙水隨時(shí)間增長(zhǎng)產(chǎn)生豎向與水平向滲透流動(dòng),高孔壓區(qū)孔壓逐漸減小,低孔壓區(qū)孔壓產(chǎn)生一定程度增大。

2.2 水平位移變化規(guī)律

從分層填筑期水平位移變化結(jié)果圖中可以看出:填筑期水平位移最大值均發(fā)生于路基邊坡下面的地基中部附近,水平位移最小值發(fā)生于路基頂部邊緣一定范圍內(nèi)。各個(gè)階段水平位移最大值均不一樣,填土2 m完畢最大水平位移0.6 cm,填土2 m固結(jié)后最大水平位移0.5 cm。填土6.8 m完畢最大水平位移1.74 cm,填土完畢固結(jié)后最大水平位移1.72 cm。

水平位移隨著填筑高度的增加而增大,且每層填筑完畢后的固結(jié)期會(huì)略微減小。因此,對(duì)于高填方路基,為了保證路基的穩(wěn)定性,需要對(duì)地基進(jìn)行相應(yīng)處理,如換填法、排水固結(jié)法、加筋、深層密實(shí)等。

2.3 豎向沉降變化規(guī)律

從分層填筑期沉降變化規(guī)律圖可以看出:對(duì)于6.8 m的填筑期,填筑完畢最大沉降并不是發(fā)生在填土表面,而是發(fā)生在填土中下部,也就是填土高度4 m左右。這是因?yàn)殡S著填筑高度的增加,路基中下部受到的荷載逐漸增大,且路基表面為3%水泥改良低液限黏土,其模量較大。各個(gè)階段沉降最大值均不一樣,填土2 m完畢最大沉降2.27 cm,填土2 m固結(jié)后最大沉降2.74 cm。填土6.8 m完畢最大沉降9.81 cm,填土完畢固結(jié)后最大沉降9.94 cm。

填筑前期沉降值較大,填筑后期沉降增長(zhǎng)值逐漸減小。沉降由兩部分構(gòu)成,即路基沉降與地基沉降,其中路基沉降占絕大部分,地基最大沉降量均發(fā)生于地基表面中點(diǎn)處,沿寬度、深度方向沉降逐漸減小,即中心沉降最大,兩側(cè)沉降小,近似為“沉降盆”形。

3 工后沉降有限元預(yù)測(cè)

3.1 水平位移變化預(yù)測(cè)

在Abaqus有限元模型路基表面設(shè)置向下的0.5 MPa的均布荷載(設(shè)置在路基填筑施工完成之后)來預(yù)測(cè)路基工后15年沉降,水平位移預(yù)測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 工后水平位移變化云圖

從圖2中可以看出:工后水平位移最大值均發(fā)生于路基邊坡下面的地基中部附近,水平位移最小值發(fā)生于路基頂部邊緣一定范圍內(nèi)。各個(gè)階段水平位移最大值均不一樣。填筑完成時(shí)最大水平位移1.74 cm,施工完成時(shí)最大水平位移1.717 cm,工后5年最大水平位移1.719 cm,工后15年最大水平位移1.723 cm。水平位移大多發(fā)生于路基填筑期和施工期,工后15年水平位移變化幅度較小,原因?yàn)榈鼗馏w孔壓基本消散完畢,土體固結(jié)穩(wěn)定。

3.2 沉降變化預(yù)測(cè)

可以看出:對(duì)于6.8 m的填筑期及工后期沉降,最大沉降并不是發(fā)生在填土表面,而是發(fā)生在填土中下部,也就是填土高度5 m左右。這是因?yàn)殡S著填筑高度的增加,路基中下部受到的荷載逐漸增大,且路基表面為3%水泥改良低液限黏土,其模量較大。各個(gè)階段沉降最大值均不一樣,填土完成最大沉降9.8 cm,施工完成最大沉降9.94 cm。工后5年最大沉降9.953 cm,工后15年最大沉降9.977 cm。

將路基施工固結(jié)完成至工后1年、工后5年、工后10年以及工后15年的路基頂面沉降值繪制沉降曲線,如圖3所示。

圖3 路基頂面工后沉降曲線

可以看出,路基頂面的工后沉降曲線呈現(xiàn)“彎型盆”狀,路堤中心線處的沉降值最大,從路堤中心線向外至路堤邊緣,沉降值不斷減小。隨著工后時(shí)間的增長(zhǎng),沉降值逐漸增加,但增長(zhǎng)變化量不是很大,工后15年路基頂面的沉降值達(dá)到最大,此時(shí)的路堤中心處路基頂面沉降值為1.56 cm,路堤邊緣處的路基頂面沉降值為0.92 cm,差異沉降為0.64 cm。

4 結(jié) 論

(1)從路基施工填筑期分級(jí)堆載數(shù)值模擬結(jié)果來看,孔隙水壓力隨路基填筑高度的增加呈現(xiàn)逐漸減小趨勢(shì),第一層土填筑完畢時(shí)孔隙水壓力值最高。

(2)分層填筑期水平位移最大值于路基邊坡下面的地基中部附近,最小值于路基頂部邊緣一定范圍內(nèi)。豎向位移最大值發(fā)生在填土中下部的低液限黏土區(qū)。

(3)基于工后15年沉降有限元預(yù)測(cè)結(jié)果,沉降值隨工后時(shí)間的增加逐漸趨于穩(wěn)定,工后1年左右,地基孔隙水壓力基本消散完畢,反映出來的是沉降基本不再變化。路基頂面的不均勻沉降曲線呈現(xiàn)“彎型盆”狀,即中線處沉降最大,兩側(cè)邊緣沉降最小。