基于三维数值模拟的市政路蠕变沉降分析

江宗斌

惠州市城市交通规划所 广东 惠州 516000

引 言

计算机的诞生促使建筑行业发生前所未有的飞跃变化。革新了传统范畴的设计方法，引入了高效精细的计算分析方法。一些前沿的计算分析方法大量应用于市政路桥设计，至此中国桥、中国路在国际上所取得的骄人成绩有目共睹。但当前的路桥设计仍然存在许多问题，比如，设计单位对市政路桥的设计仍然惯用经验判断，照搬成功案例，在不同地质条件下未经深入分析，保守化设计，缺乏创新度。上述问题将会造成不必要的经济损失、增加施工难度、缩短其使用寿命等问题。一个稳定的建筑结构都需要依附在一个稳定的地质体来承载。路基随时间的变形是导致破坏的主要影响因素之一。

由于地质体的各向异性和不可预见性为市政道路设计增加了难度，本文以惠州市大沥片区市政工程新乐大道为例采用FLAC3D建立数值模型，从地层各参数之间的敏感性进行分析，为市政路道路设计提供技术支撑。为了更好的把握各因素在工程的作用，本分析过程采用6因素E1、 E2、μ1、 c1 、 φ1 、 h。其中E1 E2分别是强风化和中风化板岩的杨氏模量、μ1是强风化板岩的泊松比、c1是强风化板岩的粘聚力、φ1是强风化板岩的内摩擦角、h是拱顶距离地表的厚度。5水平外加一均匀设计来分析这6个因素对地表沉降的影响。

1 工程概况及模型

拟建惠州市大沥片区市政工程新乐大道位于惠州市惠城区文头岭管理区，南端与规划堤下路相交，北端与惠州大道相交，呈大致南北走向，全长约1.02km。场区原始地貌为冲积平地。南端为西枝江大堤，北端为惠州大道，中部现大部分为耕种地及鱼塘。根据地质勘探揭露，地层岩性为，场地内地层自上而下为：人工填土层、第四系耕植土层、第四系冲积层、第四系残积层。

图1 FLAC3D三维模型

以惠州大沥片区市政路为研究对象，采用FLAC3D 有限差分软件建立三维数值模型，计算模型将岩土体视为连续、各向同性的力学介质。模型对侧面和地面进行约束，上表面无施加约束，共16224个单元，19080个节点。力学参数见表1。本构模型采用伯格模型，伯格模型是由麦克斯韦(Maxwell)跟开尔文(Kelvin)串联组成，如图2所示，由于现在城市化进程迅速，城市人口聚集，交通压力显著增加。根据中国车辆荷载规定，路面的车辆荷载为12kPa的均布应力。但实际中由于道路设计原因，导致某条道路的交通量大小不一。不同的车辆荷载，对路基造成的压实程度不同，所以在本模拟中采用10kPa、12kPa、14kPa三种车辆荷载水平进行模拟。

表1 蠕变本构模型力学参数

2 数值模拟结果分析

路基在经历了相当长时期的固结，自身已经达到平衡。为了模型路基的修筑过程，同时避免应力平衡中产生塑性区，模拟之前先采用弹性准则进行土体的自重平衡，平衡完成后再进行岩土体的路基填筑再开启蠕变进行计算。市政路的设计年限一般为20年，本模拟过程计算了路基填筑结束后20年的沉降行为。通过FLAC3D计算得到路基在不同车辆荷载作用下的蠕变曲线。为更直观的观察蠕变位移，选取具有代表性的路堤底部中心处一点作为观测对象并记录其历史位移值，如图3 所示。施工的过程其实就是自重平衡的过程，此阶段快速完成土体固结[3]。但路基在修筑完成后并未停止，仍然以缓慢的速率继续沉降。而且沉降速率随着时间的推移逐渐有减缓的趋势。三种车辆荷载下的年平均沉降为0.748mm/年、0.675mm/年、0.619mm/年。达到平衡后仍然存在缓慢移动和变形的趋势。从图4中可以看出，沉降区域主要集中在路基下方，沿横向向路基两侧逐渐减小，其等值线呈椭圆下凹的形状。根据路基的沉降规律，可以在路基的修筑过程中通过注浆、打桩、夯实等手段处理，以减少后期的蠕变沉降。除此之外，严格按照车辆荷载设计标准，控制市政路超负荷使用，延长市政路使用年限。

图3 不同车辆荷载下的沉降曲线岩土体具有蠕变特性，所谓蠕变就是岩土体在各方外力作用下

图4 不同车辆荷载水平下的竖向位移分布图

3 结 论

本文通过有限差分软件FLAC3D计算模拟大沥片区市政工程新乐大道的不同车辆荷载下20年间的蠕变沉降。得出如下结论：

(1)蠕变是路基修筑过程中不可忽略的隐形位移。蠕变作用产生的位移占总位移的50%以上。施工中应该充分考虑蠕变造成的大变形，采取有效措施。

（2）车辆荷载越大所发生的蠕变沉降越大，而且随着车辆荷载的增大，蠕变速率也增加。施工过程中可以通过注浆、打桩、夯实等手段降低蠕变作用，延长市政路使用寿命。