长安综合试车场高填方路堤施工沉降控制数值模拟

孙 笑，赵明阶，汪 魁，项建明

(1.重庆交通大学 河海学院，重庆400074;2.重庆同乘工程设计咨询有限责任公司，重庆，400023)

随着世界汽车工业的飞速发展，汽车试验场的建设已进入了一个全新的时代。而汽车试验场不同于一般的高速公路工程，它具有技术标准高，施工难度大，项目管理及施工工艺复杂等特点，而且它的设计和施工没有现成的标准和规范［1－2］。工程实施具有很大的特殊性，因而在建设过程中，深挖和回填是不可避免的，而填方路堤的稳定性问题，由于填方高，荷载大，土基中附加应力大而导致原土地基沉降的问题以及由于填方填筑体的自重应力引起的填筑体自身的压缩沉降等问题都是试车场建设中需解决的问题。

长安汽车综合试车场建设于地形较平缓的丘陵地带。整个试车场由填方和挖方组成，填方最大高度达22 m，最大填方边坡高度达20 m，填料主要为挖方段弃土，主要是基岩和黏性土。由于试车场的试验路段包括高速环道，动态试验道以及专项测试道等不同要求的路面，且各个路段的要求都很严格，因此采取恰当的施工方法与施工工艺才能保证填方路基及填筑体的质量，以及提出合理有效的质量控制方法与手段从而确保填方路堤的沉降与工后沉降满足工程质量以及边坡稳定性的要求。鉴于试车场对试验路段路面及填料的特殊要求，且由于这是在西部建的第一个试车场，没有足够成熟的经验和技术，因此对长安综合试车场填方路基填料以及路堤的沉降和稳定性进行分析和研究十分必要。

数值模拟方法是随着现代计算机技术的发展逐渐成熟的一种分析复杂的岩土工程问题的一种重要手段，目前已经广泛应用于路基工程领域中。如王家全，等［3］采用三维薄膜单元模拟土工格室的立体加筋性能，建立三维弹塑性模型，分析土工格室受力特点，通过对相关参数的敏感性分析，揭示高填方加宽路堤的变形规律;单国峰，等［4］对软土地基上的高填路堤施工进行数值模拟分析，分析了软基处理前后的沉降及路堤不同压实度路堤变形规律;赵明阶，等［5］通过有限元分析模拟了不同类型典型断面形式岩堆路基的沉降变形及应力应变分布特征，据此提出了岩堆路基开挖换填深度的控制指标;熊健民，等［6］利用ANSYS软件模拟了十慢高速公路填方路段的沉降变化，并结合沉降试验数据分析了路基沉降的变化特征;李秀珍、陈阳，等［7－8］分别对机场高填方地基进行了数值模拟研究，分析了高填方地基的沉降变化及稳定性。

为了研究试车场高填方路堤施工沉降及其稳定性，笔者通过数值模拟分析的方法，研究了石灰土换填对高填方路堤沉降控制的作用，分析了填方路堤施工变形规律，从而为填方路堤施工沉降提出控制措施。

1 工程概况及计算模型

1.1 工程概况

长安试车场高填方试验路段包含高速环道动态试验道以及专项测试道等不同要求的路面，这里选取高速环道段典型断面和标准坡道断面分别进行分析。如图1、图2。

图1 高速环道3+460断面(断面1)Fig.1 3+460 section in high-speed circular road(section 1)

图2 标准坡道横断面(断面2)Fig.2 The cross-section of standard ramp(section2)

1.2 计算模型

填方自上而下各层填料分别为:上路床采用8%含灰量的石灰土，路床下部采用现场开挖的土石混合料即风化泥岩回填，分析时分别考虑路基部分填料为黏性土和8%含灰量的石灰土这两种工况。

单元选择二维结构实体单元PLANE82，路基的换填料及路堤和路床的回填料均选取Drucker-Prager准则为屈服准则［9］。

模型两端横向延伸至最大坡高的2倍以上，底部延伸为坡高的3倍以上，从而减少模型边界的约束对坡体位移的影响，上部边界为自由边界，左右及下部边界为法向约束。分析中只考虑填方土体的自重应力的作用。

1.3 材料参数

高填方填料力学参数按照现场取样进行室内土工试验结果计算取值，要求现场填方压实度达到96%以上，主要参数如表1。

表1 计算模型参数Table 1 Parameters of the designed model

2 计算结果分析

图3为两个典型断面路基填料采用黏土时的y方向位移(沉降)变化图。由图可知，在填方路堤自重应力作用下，填方y方向位移即沉降变化自上而下逐渐减小，总体上变化趋势较为均匀。高速环道断面最大沉降为16.70 cm，在环道表面产生最大沉降。标准坡道断面最大沉降为7.87 cm。标准坡道断面由于极其不对称，在路堤边坡上产生最大沉降。

图3 黏土路基典型断面y方向位移变化Fig.3 The variation figure of settlement of typical section with clay subgrade

图4为两个典型断面路基填料采用石灰土换填时y方向位移(沉降)变化。由图可知，相对于黏土路基，采用石灰土换填后，由于路基填料的弹性模量得到了较大的提高，填方的沉降变化明显的减小，高速环道断面最大沉降减小为13.85 cm，标准坡道断面最大沉降减小为6.55 cm。总体而言，石灰土换填能够减小填方的沉降变形，但是减小的程度是和坡高以及换填高度有关的。

图4 石灰土换填后典型断面y方向位移变化Fig.4 The variation figure of settlement of typical section replaced by limestone soil

对于高速环道断面，由于环道距离大，而且呈现一定的弧度，因此，不均匀沉降较大。图5为高速环道断面填方顶面各测点沉降变化曲线。通过该图也可以看出，石灰土换填，明显减小了高速环道路面各点的沉降大小。另外，由于高速环道断面自身的不对称性较为明显，因此环道路面沉降变形差异性较为明显，黏性土路基时最大沉降差为4.48 cm，当采用石灰土换填路基时最大沉降差为3.75 cm。这是由于石灰土压实过后呈刚性特征，因此，能够减小高填方的沉降差。

图5 高速环道测点沉降曲线Fig.5 The settlement curve of the test point in the high-speed circuit

图6 石灰土换填后典型断面等效塑性应变Fig.6 The equivalent plastic strain of the typical section replaced by limestone soil

图6为两个典型断面在路基填料采用石灰土换填后的等效塑性应变云图。由图可知，总体上，高速环道断面和标准坡道断面都只是在局部很小的范围产生塑性应变，高速环道断面在右边坡脚基岩接触的地方产生塑性应变，标准坡道断面在左边基岩突出部位和填方的接触的地方产生塑性应变。两者的塑性应变都相对较小，而且范围很小，填方的稳定性良好。

3 结论

通过对长安综合试车场(垫江)高填方路堤试验路段的高速环道断面和标准坡道断面的数值模拟分析，研究了高填方路堤的沉降变形规律和稳定性，分析了断面路基经过石灰土换填后的沉降变形和稳定性。主要得出以下结论:

1)通过对石灰土换填路基前后的高填方路堤进行有限元数值分析，结果表明，石灰土换填路基后，填方路堤的沉降变形在一定程度上有所减小，但是减小的程度和路堤高度及换填厚度是相关的;

2)高速环道断面由于环道本身的弧度引起的不对称性，高速环道表面沉降差较大，通过石灰土换填路基在一定程度上减小表面沉降差;

3)石灰土换填路基对填方路堤边坡的稳定性具有明显的改善作用，但是，石灰土的含灰量对于石灰土的性能有着明显的影响，因此，应该进一步研究不同含灰量的石灰土换填路基时路堤边坡的变形和稳定性。

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