季节性冻土路基施工期沉降量预测

王长江 张向东 兰常玉

关于季节性冻土路基研究主要集中于季节性冻土路基处治的现场试验方案[1]、季冻地区路基中的水分迁移机理及处理措施[2]、季冻区基础冻胀成因及防治分析[3]、季冻区土质路堑边坡浅层含水率变化研究[4]、季节性冻融期土壤入渗试验[5]、季节性冻土的处理措施[6]等方面,关于季节性冻土路基施工期的沉降研究则鲜见报道。由于道路在施工期沉降量的不同,导致道路土体运营过程中初始结构性的不同,进而使得土体具有不同的初始结构强度。土体不同的初始结构强度意味着土体不同的重度及含水量,因此会有不同的冻融特性。研究季节性冻土施工期的沉降问题,是解决季节性冻土冻融危害问题的必要前提。本文以哈大高铁北沙河特大桥小里程端施工段为研究对象,利用MIDAS软件进行了季节性冻土路基施工期沉降量的预测,取得了理想的模拟效果,为今后相类似的工程提供了宝贵的经验。

1 建立模型

选取位于北沙河特大桥小里程端的施工段作为模拟工点。线路在该施工段以填方通过,且所经地势较为平坦,设计路堤中心最大填高为5.69 m,边坡最大高度5.91 m。可影响地层共分两层,上层为黄褐色黏土,硬塑性,含有可见的铁锰质浸染物,厚度在0 m～2.8 m之间;下层为黄褐色粉质黏土,软塑性,厚度大于20 m;地下水具有硫酸盐侵蚀性。基床设计参数为:基床表层填0.4 m厚的级配碎石,以下依次为0.2 m厚的中粗砂,0.9 m厚的非冻胀土和1.2 m厚的 A,B组土,中粗砂内铺设一层两布一膜不透水水工布(600 g/m2),基床以下填合格填料。

根据路基实际设计情况,建立数值分析模型(见图1),地表以上填筑材料参数完全按设计参数确定,各层参数分别为:基床表层的级配碎石0.4 m厚,中粗砂层为0.2m厚,非冻胀土层0.9 m厚,A,B组土1.2 m厚。地表以下考虑到具体施工时采用去除部分粉质黏土然后回填黏土的情况,所以模拟过程中取黏土层5 m厚,同时考虑到应力扩散角的影响,将粉质黏土层设为15 m厚,15 m以下土体被认为超出影响范围。

模拟过程中采用库仑摩尔本构模型,模型荷载有自重和回填土体上部均匀分布的受压荷载两种。约束条件为模型底面上的点定义成铰接类型,左、右侧的节点定义为 X方向的滑动类型。由于施工阶段严格控制含水量,所以定义孔隙压力为0。第一个施工阶段是施工之前的阶段,此时只有地基的单元承受自重。第二个施工阶段为回填第一部分,以后以此类推,在最后施工阶段里施加均布路面荷载。

2 确定模型输入参数

在利用MIDAS软件进行数值模拟的过程中,首先需要确定材料的弹性模量、泊松比、容重、粘聚力、摩擦角等特征值,在土体变形过程中,这些特征值是随变形进程发展而变化的,因此完全按照MIDAS程序所指明的方法输入确定的特征值,将会增大模拟结果的误差,为减小误差,需要动态输入上述特征值。要达到动态输入的目的,首先就应求出上述特征值的变化规律。我们知道,上述土体的特征值均从不同角度反映了土体结构性特征,因此可以通过前述确定的结构性参数,并结合试验分阶段确定特征值。首先将模拟过程划分为3个阶段(阶段数划分以试验曲线变化阶段为准,过少则不能模拟实际变化过程,过多会导致计算过程复杂而精度却无显著提高的情况),在不同阶段计算不同的特征值作为模拟输入参数值。在模型定义的约束条件下有:

其中,σi为第i阶段初始轴向应力;εi为第i阶段初始轴向应变;λi,ζ分别为受围压和含水量影响的参数,此次模拟中其值分别为-1.4和0.3;A1,B1均为受含水量影响的参数,此次模拟中其值分别为1.6和1.0。

忽略蒸发因素的影响,可以认为土体沉降过程中含水量不发生变化,则式(1)中的参数ζ,A1,B1在各模拟阶段不会发生变化,但受围压影响的 λi会发生变化,第 i+1阶段的 λi+1可由式(1)变形得到:

其中,σi+1为第 i+1阶段初始轴向应力,即第 i阶段模拟结束时的轴向应力,可由模拟结果确定;εi+1为第 i+1阶段初始轴向应变。第i阶段模拟结束时轴向应变可由模拟结果确定。

根据式(1)和式(2)即可求出每个模拟阶段的初始应力应变值,进而可以计算出每个阶段的弹性模量。在式(1)中,若将σi考虑为主应力差,在每个对应阶段中再另外选取一点,结合该阶段的初始状态和结束状态对应的应变,取得一个阶段中的3点应变值,然后利用式(1)即可计算出相应的3个主应力差,可以根据得到的3个主应力差绘制出库仑摩尔圆,进而通过摩尔圆的包络线确定该模拟阶段的粘聚力和内摩擦角,各阶段均按上述方法确定各自的粘聚力和内摩擦角。泊松比和容重在模拟过程中被当作常量,则各阶段输入参数值随之确定,具体计算结果见表1。

表1 在不同阶段中数值模拟输入参数值

3 数值模拟结果及分析

通过三阶段模拟方法,完成了北沙河特大桥小里程端的施工段在施工期间路基沉降的数值模拟计算,最终计算结果见图2。由图2可以看出,当按上述方法施工结束后,在 A,B组土与黏土层的分界面附近将发生较大的水平方向位移。模拟结果显示水平向最大位移值发生在地面附近,其值为2.47 cm。随土层深度的增加,水平位移值呈减小趋势,并出现明显的3阶段性变化:在0 m～-3.4 m范围内,水平位移值从2.47 cm快速降至1.2 cm;在-3.4 m～-5.1 m范围内,水平位移值从1.2 cm缓慢降至0.9 cm,减小速率降至前一阶段的0.5倍;在-5.1 m～-15.3 m范围内,水平位移值从0.9 cm极其缓慢降至0.1 cm,减小速率降至第1阶段的0.2倍,总的影响深度可达-16.4 m。同时还可以看出,随着深度的增加,水平位移的影响范围也呈减小趋势。

由图2还可以看出,当按上述方法施工结束后,在中粗砂、非冻胀土和A,B组土构成的土层中将发生较大的不均匀沉降。模拟结果显示最大沉降量发生在中粗砂与非冻胀土的分界面下非冻胀土中,其值为16.1 cm,接近A,B组土层时沉降量有所降低,降至14 cm,然后在 A,B组土层中逐渐降至0 cm。在沉降影响区外侧小范围内土体没有发生任何竖向位移,在向外延伸的范围内土体会被抬升,最大抬升高度为0.2 cm。根据对模拟结果的分析可知,施工过程中所用的非冻胀土和 A,B组土会带来较大的水平位移和沉降,为满足工程建设的“0沉降”目标,应更换透水性好、压缩性更小的材料代替非冻胀土和 A,B组土。

[1]钟 卫,朱 明,袁文忠.高原季节性冻土路基处治的现场试验方案研究[J].路基工程,2007(1):59-60.

[2]朱 明,宋 珲,钟 卫.季冻地区路基中的水分迁移机理及处理措施[J].路基工程,2007(1):62-63.

[3]王 虹,姚相权.季冻区基础冻胀成因及防治分析[J].民营科技,2009(2):1.

[4]单 炜,刘红军,杨 林,等.季冻区土质路堑边坡浅层含水率变化研究[J].岩土力学,2008,29(sup):335-341.

[5]杜 琦.季节性冻融期土壤入渗试验综述[J].地下水,2009(31):14-18.

[6]张玉声.季节性冻土的处理措施[J].北方交通,2009(5):50-51.