基于FLAC3D的高填方路基沉降变形因素分析

蔡文霄，梁 华，朱彦鹏，陈 杰，李晓英

(1.广元市利州区固定资产投资审计中心， 四川 广元 628000；2.兰州理工大学 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心， 甘肃 兰州 730050)

基于FLAC3D的高填方路基沉降变形因素分析

蔡文霄1，梁 华1，朱彦鹏2，陈 杰1，李晓英1

(1.广元市利州区固定资产投资审计中心， 四川 广元 628000；2.兰州理工大学 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心， 甘肃 兰州 730050)

以兰永一级高速公路典型高填方路基工程为背景，采用FLAC3D有限差分软件建立相应的路基二维模型，利用莫尔-库仑塑性本构模型计算高填方路基在不同高度、不同坡度、不同填料的位移变形，并记录所设置关键点处的水平位移与沉降量，得到填方高度、填方材料是影响高填方路基施工过程以及工后沉降的主要因素。在工程实际填筑过程中，每填筑3 m高埋设单点沉降计监测其沉降量。通过对比分析实测数据与模拟节点沉降量，得到两者结果基本相符，最大误差不超过允许范围的结论。为高填方路基的设计和施工提供了一定的参考。

高填方路基；沉降变形；现场监测；节点沉降量

近年来，伴随着我国经济的迅速发展，高填方路基在公路建设中规模也越来越大，随之也带来了不同程度的沉降破坏，这不仅对路面的平整性有重大的影响，同时也对行车的舒适性与道路的使用寿命有严重的影响。研究表明，路基的沉降主要是由地基的自重应力以及附加应力引起的固结压缩变形和路基自身的自重应力以及车辆荷载附加应力的压缩变形[1]。影响高填方路基沉降的主要影响因素有：填方高度、路基坡度、填方材料。目前对于高填方路基沉降的研究成果主要偏向于量化分析和预测，而对以上各因素对沉降影响的数值分析研究结果较少。为深入研究影响路基沉降的因素，最大程度的有效减小路基沉降[2-3]，笔者利用FLAC3D有限差分软件建立不同填方高度、不同坡度、不同填方材料的高填方路基模型，模拟高填方路基，通过现场实测沉降值进而判断对路基沉降的影响[4]。

FLAC3D有限差分软件采用命令流输入方式，以混合离散法(Marti and Cundall,1982)与解析拉格朗日算法为基础，材料的流动特性和塑性破坏可以被精确的模拟。因为FLAC3D软件在计算过程中不需要形成刚度矩阵，所以，该软件能够在占较小内存的情况下，大范围内的工程岩土三维问题可以被求解。FLAC3D软件采用显式差分法求解微分方程，采用动态运动方程描述物理现象(即使模拟的系统是静态的，也采用动态运动方程)，这就使得FLAC3D在模拟物下，排除模拟物理上不稳定过程中的数值阻碍[5]。因此，本文将通过单点沉降计得到现场大量监测数据，利用现场监测的实际沉降值与FLAC3D模拟沉降值进行对比分析，为将来高填方路基的现场施工提供数据依据。

1 工程概况及试验方案

1.1 工程概况

甘肃省兰永一级高速公路四标段高填方路基为本试验的沉降监测对象，该高填方路基采用浅层换填法清除表面软塑土，再通过施工机具压路机分层压实与重锤隔层夯实相结合的方式填筑处理。本项目采用一级公路标准建设，整体式路基宽度23.0 m，分离式路基宽度11.25 m，路线全长48.246 km。其中高填方路基位于兰永一级公路第4标段(道路桩号K24+000—K24+400)，采用土石混填材料，材料来源为右侧边坡开挖的红泥岩和粉质黏土，局部水浇地或沼泽芦苇地路段采用浅层换填后，再利用强夯垫层法处理[6-8]，最大填土高度18 m。

1.2 试验方案

根据兰永一级公路的具体情况，本工程第4标段监测位置沿道路纵断面布置两列监测点，分别是：右幅路基右路肩中心和超车道中心；两列纵向监测位置处沿道路纵向每隔1 m打孔，按照不同深度布置单点沉降计，具体测点如图1所示。

图1路肩位置剖面图

本高填方路段最大填方高度18 m，在路肩位置布置单点沉降计，深度依次为：3 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m，共埋设6个单点沉降计，沉降计编号和埋设深度如表1所示。

表1 高填方路肩单点沉降计编号及埋置深度

2 监测沉降结果分析

埋设在路肩位置的单点沉降计分别处于同一水平线上。监测时间从2015年9月20日开始至2016年8月20日结束，历时365 d，每月监测一次共进行12次现场监测。数据以9月20日的监测为基准，从此时间后所得沉降数据均为相对沉降量。

对第4标段路基现场实测，根据监测沉降结果绘制路基沉降曲线如图2所示。

图2路肩位置沉降监测结果图

由图2可以看出，监测点1#的整体沉降值最小，2#沉降值次之，6#的整体沉降值最大。整体分析其沉降趋势，曲线形态基本相似，沉降量随时间的增加而越来越大，0～40 d的沉降量基本呈线性增加，之后沉降曲线增加缓慢至250 d左右基本趋于稳定。因为开始监测的时间在秋季，三个月后进入了冬季，气候变化可能导致冻融现象，从而出现沉降量的波动。路肩位置对应的沉降量最大为79.03 mm，最小8.60 mm，则平均沉降值为43.82 mm。所以，对于实际工程中预测路肩位置路面工后沉降量可参考其监测点的平均沉降量。

3 路基沉降影响因素分析

3.1 填方高度的影响

兰永一级高速公路第4标段高填方路基，模型参数以此为依据，该路基宽度23 m，放坡坡度1∶1.5，地基深度为50 m，分两层，上部为黏土，厚度10 m；下部为基岩，厚度40 m；地基计算宽度为200 m；填筑高度18 m。填土模拟高度分别选取3 m、6 m、9 m、12 m、15 m、18 m。路基填料及地基土物理力学参数如表2所示。

表2 土体的力学参数

分析路基沉降为平面应变问题，在建立FLAC3D模型时，根据路基的对称性，取其一半模型进行分析，模型如图3所示。

图3高填方路基有限元模型

建立坐标系，地基表面与模型对称轴的交点O为坐标原点，设x轴的方向在水平方向，z轴方向在竖直向上，y轴方向为垂直于分析平面的方向。按照分区域建模的思路进行建立网格，并将网格尺寸的一致性考虑进去，取y方向单元尺寸为5 m，在其方向设置两个单元；每个区域首先按照控制点利用brick单元进行网格建立，然后进行分组后赋值。

本文分析对象为地基和路基的受力特性，采用莫尔-库仑塑性本构模型。其边界条件为：底部边界节点相当于固定支座的形式对x、y、z三个方向的速度进行完全约束，对x两侧的边界水平速度和y方向所有节点速度进行约束。对各部分材料划分网格时由于路基单元对沉降的影响比较大，因此网格划分较密，而原地基单元位移较小，网格划分较稀。考虑到网格尺寸的一致性，本文中y方向设置两个单元。运用FLAC3D软件选取典型深度3 m、9 m、18 m进行路基沉降模拟，其结果如图4～图6所示。

图4 填筑3 m路基沉降量

图5 填筑9 m路基沉降量

图6填筑18 m路基沉降量

根据模型分析结果，不同填方高度路基沉降量，填方高度与模拟沉降关系曲线如图7所示。

图7路基填方高度与沉降关系曲线

根据以上沉降计算结果可知，由于上覆荷载是影响路基沉降的主要因素，一方面随着填筑高度的不断增加，填筑体的重量随之增加，上覆荷载不断增大，即呈现出荷载与总沉降量的正比关系；另一方面伴随着越来越高的填筑高度，填筑体的重量增大，自重引起的填土沉降变化成非线性增大趋势；地基沉降也随着填方体重量的增大而增大；总沉降量也成非线性增大趋势。

由图7可以看出，对于填方较高的路基来说，地基沉降占总沉降的79%，因此，为了防止高填方路基的沉降过大，从两方面的因素进行考虑：一方面是按照建筑地基处理技术规范重点处理原地面以下的地基；另一方面在填土时严格把控压实度满足规范要求。

3.2 路基坡度的影响

路基边坡的坡度是影响路基沉降与路基整体稳定性的重要因素，因此，确定合理的路基坡度对于路基整体的稳定性是必不可少的。本文分别取1∶0.50、1∶0.75、1∶1.00、1∶1.25、1∶1.50和1∶1.75六种情况来研究坡度对路基沉降的影响。所建FLAC3D有限元模型与模拟填方高度影响的模型一致(见图3)。当采用不同坡比时，其典型坡比1∶0.50、1∶1.00、1∶1.50路基水平位移的数值模型分析结果如图8～图10所示。

图8 路基坡度1∶0.50时水平位移

图9 路基坡度1∶1.00时水平位移

图10路基坡度1∶1.50时水平位移

不同坡度水平位移模拟和坡度关系结果如图11所示。其典型坡度对路基竖向位移的影响如图12～图14所示。

图11 水平位移与坡度关系曲线图

图12 路基坡度1∶0.50时竖直位移

图13 路基坡度1∶10时竖直位移

图14路基坡度1∶1.50时竖直位移

路基总沉降量和坡度关系曲线如图15所示。

图15路基沉降与坡度关系曲线图

通过对比图8～图10不同路基坡度水平位移云图可知，最大位移值靠近路基边缘坡脚处，位移最小值在路面边缘处，并且随着路基坡度的逐渐变缓，沿着路基中心向方向，最大水平位移的影响范围也随之减弱。根据数值模拟结果可知，当路基坡度为1∶0.50时，坡脚水平位移最大，为34.36 mm；1∶1.75时最小，为18.91 mm。

由图11可知，填土路基的坡脚水平位移随着坡度的变缓水平位移量逐渐减小。

当坡度为1∶0.50时，沉降值最大，为106.64 mm，当坡度为1∶1.75时，沉降值达到最小值95.18 mm。

由图15可知，随着路基边坡坡度的变缓路基沉降量减小。究其原因，路基坡度越缓，同一填方量路基受力面积增大，对路基主线向线外滑动的抵抗力越大，边坡越稳定，因而产生的沉降量越小。当坡度为1∶0.50时，沉降值106.64 mm与坡度为1∶1.75时的沉降值95.18 mm相差11.46 mm，由此可见，路基坡度变化对于路基沉降的影响较小。

3.3 填方材料的影响

对于路基填料，不同地区可以采用不同的填筑材料，而路基填料自身的重度，也是影响地基沉降的主要原因之一，为此，笔者查阅相关资料[9-17]对路基采用不同填筑材料的影响进行了计算和分析。最后选取西北地区常见的黏质土、粉煤灰、磷石膏、EPS材料为本文研究对象。其材料物理力学参数指标详见表3。

表3 不同填料的力学参数指标

分析不同填料所建有限元模型同填方高度影响模型(见图3)。其不同填料的FLAC3D模型分析如图16～图19所示。

图16 黏质土填料时路基沉降

图17 粉煤灰填料时路基沉降

图18 磷石膏填料时路基沉降

图19 EPS填料时路基沉降

根据模型分析结果，不同填料与路基的沉降曲线如图20所示；地基沉降与填方材料重度关系如图21所示。

图20 不同填料与路基沉降关系曲线图

图21地基沉降与填料重度关系曲线图

由图20可以看出，路基总沉降为地基沉降与路基自身沉降之和，而填料自身的重量作用是地基沉降的主要原因。由图21可知，地基沉降值与填料重度基本成线性正比关系(随填料重度增大而增大)。地基沉降值平均约占路基总沉降的90%以上，其随着填方材料重度的减小，地基沉降量明显减小。因此，笔者认为减轻路基填料重度是减小高填方路基沉降的有效方法之一。

分析沉降计算结果，填筑粉煤灰的路基沉降量小于填筑黏质土同样高度的沉降量，而粉煤灰是目前我们国家火电厂排出的主要固体废物，是当前环境污染中工业废渣排量较大的一种，又磷石膏与EPS工程造价高，不适合大规模路基工程，因此，笔者建议：对于高填方路段，从保护生态环境、降低工程经济、提高项目质量考虑，采用粉煤灰填筑效果更为显著。

4 现场沉降监测与数值模拟检验

针对兰永一级高速公路第4标段高填方路基进行一年的现场沉降监测，沉降计编号及沉降变化值见表1、图2，以实际路段的断面布置设计方案进行模拟分析，监测结果显示，路面六处均出现不均匀沉降现象。其FLAC3D程序模拟竖向最终沉降量见表4。

表4 路肩位置不同深度模型模拟最终沉降结果

通过表4分析比较实测值与模型值，两者差值最小为0.92 mm，误差最小在填方3 m处，为10.674%；最大发生在填土高度18 m处，相对误差最大为22.253%。由图22可以看出，对于兰永一级高速公路第4标段高填方路基采用FLAC3D计算模型，现场实测沉降量与模型计算沉降量，其两者沉降曲线形状大体一致，实测沉降结果较模型沉降计算结果略小。

5 结 论

本文通过FLAC3D软件，以兰永一级高速公路高填方路基现场沉降监测为依托，分析影响路基沉降的因素，可以得出以下结论：

(1) 对于第4标段高填方路基路肩位置的沉降以深度3 m处填方体沉降量最小，深度18 m处沉降量最大，填筑体沉降速率呈先增大后减小，最后趋于平缓的趋势。

(2) 影响高填方路基施工过程以及工后沉降的主要因素有填方高度、填方材料。根据数值模拟分析结果得出，随着填方高度的增加，填筑体的重量增加，由填筑体自重引起的沉降变化会呈现线性增大趋势，同时沉降量随填方高度的增加而增大。路基总沉降与填方高度成非线性增大关系。

(3) 路基的水平位移量与沉降值随着路基坡度的变缓沉降值减小，但从坡度1∶0.50至1∶1.75，沉降值变化并不大；路基填料重度对地基沉降影响较大，与其成线性正比关系；当采用粉煤灰等轻质填料填筑路基时可以明显减少路基沉降，降低工程经济，提高形成质量。

(4) 本文通过一年的现场沉降监测，利用FLAC3D有限差分软件将预测结果和试验路段实际监测结果对比分析，得出结果：两者结果之间差异在允许最大误差范围内，因此，可以对实际工程用该程序软件进行路基沉降模拟分析。

[1] 陈希哲.土力学地基基础[M].北京:清华大学出版社,2007.

[2] 高文华,刘 正,张志敏.基于FLAC3D的粉砂岩压缩蠕变试验数值模拟研究[J].土木工程学报,2015,48(3):96-102.

[3] 陈育民,徐鼎平.FLAC3D基础与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2013.

[4] 徐晓宇.高填方路堤沉降变形特性及其预测方法研究[D].长沙:长沙理工大学,2013.

[5] 霍晓龙,陈寿根,卫苗苗,等.基于FLAC3D的季节冻土路基冻融变形分析[J].地下空间与工程学报,2015,11(3):797-799.

[6] 朱彦鹏,蔡文霄,杨校辉.高填方路堤沉降模型现场试验[J].建筑科学与工程学报,2017,34(1):84-90.

[7] 尹舒倩,王世兴,赵 涛,等.某水电站泄水陡坡体型优化模型试验研究[J].水利与建筑工程学报,2015,13(3):41-44.

[8] 王俊辉.山区高填方路基沉降监测与稳定性数值仿真分析研究[D].长沙:中南大学,2012.

[9] 丁少梅,赵忠虎,王宁宁,等.岩石强度理论的分类评述[J].水利与建筑工程学报,2017,15(1):95-102.

[10] 王 涛．路基沉降影响因素分析[J].北方交通,2016(7):112-116.

[11] 朱彦鹏,朱胜祥,叶帅华,等.某工程深基坑事故分析与二次加固设计[J]．岩土工程学报，2014,36(S1):186-191.

[12] 谷复光.吉林省某路段高填方路基沉降分析与研究[D].吉林:吉林大学,2011.

[13] 翟保林,刘亚坤.高水头明流泄洪洞三维数值模拟[J].水利与建筑工程学报,2017,15(3):31-34.

[14] 中华人民共和国交通部.公路路基设计规范：JTG D30—2015[S].北京:人民交通出版社,2015.

[15] 胡赤兵,桑瑞鹏.利用PLC实现泵站变频恒压供水控制系统[J].排灌机械工程学报,2005,23(3):42-45.

[16] 尹正贵,杜明芳,袁二键,等.黄泛区粉砂土路基处理方法的研究[J].河南科学,2013(5):616-620.

[17] 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑地基处理技术规范:JGJ 79—2012[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

AnalysisofHighEmbankmentDeformationFactorBasedonFLAC3D

CAI Wenxiao1, LIANG Hua1, ZHU Yanpeng2, CHEN Jie1, LI Xiaoying1

(1.LizhouAuditCenterOfInvestmentInFixedAssets,Guangyuan,Sichuan628000,China;2.WesternEngineeringResearchCenterofDisasterMitigationinCivilEngineeringofMinistryofEducation,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou,Gansu730050,China)

Taking the high fill subgrade in Lanzhou-Yongjing Highway as an example, this paper established a subgrade model by applying the finite difference software FLAC3D, and calculated the displacements and deformations with different heights, grades, and different padding by applying the Mohr-Coulomb constitutive model. The displacement and settlement of each key point settled before were recorded which enable us to conclude that fill height and materials of padding are the main factors which influence the construction process and settlement of high fill subgrade. In the filling process of the project, the settlement was inspected by single-point settlement sensor buried in every 3 meters. By comparing and analyzing the measured data and the simulated ones, it is found that the two results have a good match, and the maximum error is within the allowed range.

highfillsubgrade;displacementanddeformation;fieldmonitoring;jointssettlement

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.040

2017-07-20

2017-08-23

教育部长江学者创新团队支持计划项目(2013IRT13068)；甘肃省科技重大专项计划项目(1302FKDA030)

蔡文霄(1990—)，男，甘肃文县人，硕士，工程师，主要从事政府投资的工程审计及岩土工程方面的科研工作。E-mail：407373551@qq.com

TU43

A

1672—1144(2017)06—0199—07