黄土山区高填方沉降变形的研究

2015-01-14荣韶婧韩云山段伟秦伟华

河南建材 2015年1期

关键词：填方黄土山区

荣韶婧韩云山段伟秦伟华

中北大学理学院（030051）

黄土山区高填方沉降变形的研究

荣韶婧韩云山段伟秦伟华

中北大学理学院（030051）

这里研究了黄土山区高填方边坡在宽高比、填方高度参数影响下自重作用的沉降变形，采用了符合岩土材料的Mohr-Coulomb本构模型，对高填方边坡沉降变形问题进行了弹塑性有限元平面应变分析，模拟了同一填方高度、同体积、不同宽高比对黄土山区高填方沉降变形的影响，以及不同高度高填方的沉降变形规律。

高填方；宽高比；沉降量

0 引言

工程实践表明，黄土山区地基沉降是强夯高填方地基面临的一个重要问题之一。随着城镇化进程的加快，建设用地将日趋紧张。为避免与良田争地，许多城市提出了“工业出城、项目上山”的发展战略，即在黄土山区进行高填方造地。当前,利用“开山填谷”解决黄土山区公路建设及机场基地建设用地的项目日趋增多。由于“开山填谷”所形成的土石方工程量大、挖方大、高填方、极松散且不均匀的工程场地的填方地基处理问题,黄土山区造地面临着高填方的沉降变形问题，汤东、杨有辉通过分析路堤高度与沉降变形关系，认为路堤自身的沉降对路堤总的沉降影响很大[1]。李静荣等以实际工程沉降观测资料为依据,分析了填方高度对沉降的影响，认为路基沉降量随着填方高度的增加而增加[2]。这里利用Midas分析软件就不同宽高比、不同填方高度对高填方边坡沉降变形的影响进行建模分析，以研究其与沉降变形之间的内在关系，为黄土山区高填方边坡工后沉降的控制提供相应的理论基础。

1 有限元模型

1.1 计算假定

1）填方土体为均质土。

2）认为填方土体为各向同性连续介质。

3）填方土体发生的是理想弹塑性变形。

4）填方土体的变形是在自重作用下产生的，不考虑高填方边坡上附加荷载及气候的影响。

5）不考虑高填方土体中孔隙水压力的影响。

1.2 建模中的本构关系

建模中采用通用的理想弹塑性本构模型以及土力学中常用的Mohr-Coulomb破坏准则进行计算分析。Mohr-Coulomb准则用平面状态下的主应力可以表示成:

写成一般屈服条件形式，为:

Mohr-Coulomb屈服条件的屈服面是一个不规则的六角形截面的角锥体表面，其在Ⅱ平面上的投影如图1所示。

图1 Ⅱ平面上的Mohr-Coulomb屈服曲线

1.3 有限元几何模型及参数

在高填方边坡填土力学参数相同、位移约束条件相同的情况下，模型中选取20 m、25 m、30 m、35 m、40 m的高填方边坡进行建模计算，并且选30 m、40 m、50 m的填方高度保持边坡体积不变，通过改变坡高比对高填方的沉降变形进行计算分析。

高填方边坡沉降变形是平面应变问题，在建模时对模型的位移条件作如下假定:模型左右边界水平方向位移为零，允许有竖直方向的变形，底部边界竖直方向位移为零，模型如图2。建模中高填方边坡采用同一种填土材料，模型中的土体力学参数如表1。

图2 高填方模型模拟结果及分析

表1 土体力学参数

2 模拟结果及分析

2.1 同高度、同体积、不同宽高比填方沉降变形

在同一高度边坡体积不变，在自重作用下高填方的沉降量可能发生变化。在建模计算过程中，宽高比选1～2.0的9个值，同一高度下的体积都是以宽高比为1时的体积作为基准，选取30 m、40 m、50 m的填方高度保持体积不变、不同宽高比的高填方边坡建模，并进行沉降变形分析，计算得出边坡沉降变形值如表2与图3、图4、图5。

表2 不同宽高比高填方沉降变形

图3 30 m的高填方

图4 40m的高填方

图5 50m的高填方

表2是30 m、40 m、50 m高填方保持边坡体积不变在不同宽高比下填方的沉降量，宽高比与沉降量的关系以图3、图4、图5的形式表示出来。综合分析三个图可以看出，随着宽高比的增大，高填方的沉降量呈现逐渐增大的变化趋势。在实际工程施工中，从边坡的稳定性考虑,宽高比越大边坡稳定性越高，但相应的填方沉降量也变大。因此，同体积的高填方应选择合适的宽高比，且同时满足稳定性和沉降量的施工要求。

2.2 不同填方高度边坡的沉降变形

保持各力学参数相同宽高比为1.5的高填方边坡进行建模,分别选取20 m、25 m、30 m、35 m、40 m的高填方边坡进行沉降变形的分析，计算结果如表3与图6。