FLAC3D模拟高填方稳定性分析

徐广富

北京市市政工程设计研究总院有限公司 北京 100082

引言

古雷某道路项目，位于滨海滩涂地质。该段道路软基具有高含水性、低密度、低强度、高压缩性、低透水性和中等灵敏度的特点，压缩沉降量大、排水固结慢、地基稳定性差的特点。

该项目为桥台后回填，规划标高同时也是在现状地面基础上回填5米获得，在规划标高的基础上采用了5米高路桥分界，故该段道路回填高度为10米。

由于该段路基为高填方、软基，为分析该段路基的稳定性，保证工程质量安全，采用理正岩土分析软件和、FLAC3D有限差分软件进行对比分析，确保该段路基稳定安全。

1 项目情况简介

漳州古雷港某道路项目，位于浅海滩涂区域，该段路基范围内的软土较为深厚，同时部分路段下为中砂或细沙，地质条件较差。

该区域为沿海滩涂造地区域，为保证区域防洪满足区域20年一遇标准，该区域的地势由原标高1米回填到规划标高6米。同时为跨越杜浔溪河道，满足巡堤路净空4.5米，采用跨线桥方案跨越该河道，该段道路路基整体回填高度为10米。

由于回填高度高、增加荷载大，该段道路的沉降分析及横向稳定性是该段路基的控制要点。

2 地质情况分析

路基土按其成因和岩性分为：素填土①、粉质粘土②、淤泥质土③、粉质粘土④、淤泥⑤、粘土⑥、中砂⑦、粉质粘土⑧、残积砂质粘性土⑨、全风化花岗岩⑩、砂砾状强风化花岗岩⑾、碎块状强风化花岗岩⑿、中风化花岗岩⒀共十三类。影响道路工程地质的软弱土层为淤泥质土③、淤泥⑤、中砂⑦等几种，工程中应对该几种地质集中分析处理。

3 地基处理方式的确定及加固机理

3.1 为充分保证地基处理的稳定性，并控制投资规模，综合考虑项目的工程地质情况、施工工艺等因素以及参考了周边项目的地基处理方案，初步拟选择采用水泥搅拌桩进行地基处理。

水泥土搅拌法：是以水泥为主要固化剂，通过特制的深层搅拌机械，将固化剂和地基土强制搅拌，使软土硬结成具有整体性、水稳性和一定强度的桩体的地基处理方法。优点比较明显：就地搅拌、最大限度利用原土，地基土不会侧向挤出、对周围建筑干扰少，桩体布置形式灵活。

3.2 水泥土搅拌法加固机理

3.2.1 水泥的水解和水化反应

水泥中的硅酸三钙、硅酸二钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙、硫酸钙为反应物，与水反应，生成一系列的化合物。生成的化合物也会参与反应，继续增加土体强度。

3.2.2 粘土颗粒与水泥水化物的作用

上述生成物继续发生离子交换和团粒化作用、硬凝反应、碳酸化作用。最终被粉碎的越均匀的土体，水泥土的总体强度越高。

3.2.3 其他影响因素

水泥土的强度随水泥用量增加而增加；随龄期增长，持续时间约三个月；随水泥标号增加而增加；随土样含水量增加而减少；随土中有机质含量增加而减小，有机质含量高的软土，单纯采用水泥的加固效果不好；部分种类的外掺剂可有效改变水泥土的强度、龄期强度增长等；较好的养护方法和养护条件，可以提高水泥土的早期强度。

合理确定水泥掺量、减少龄期内扰动、适当选用外掺剂对水泥土强度有较好的帮助。

4 数值分析原理

由于数值分析的理论基础较为严格，同时对现场试验参数的选区有较为严格的要求，目前仅有少数技术人员在使用，故数值分析目前在土工中使用的不是很普遍。但是对于土木的趋势分析，数值模拟有着不可取代的优点。

数值分析在准备充足了基本数据后可以反复的再现试验过程、应力、应变过程，可以在没有污染、没有安全问题、花费较少成本的条件下由计算机反复模拟现场问题。

FLAC/FLAC3D作为一款优秀的岩土专用分析软件，具有十二种岩土本构模型、八种蠕变模型、三种流体、两种热力学模型。可以进行静力、动力、温度、渗流的耦合计算，可以模拟较为复杂的工程力学行为。同时FLAC3D的大变形的计算能力也较为突出,故选用FLAC3D进行数值分析是较为合适的。

数值分析同时可以形象有效的揭示地基处理变化规律，揭示地基加固效果和整体效果。同时由于该段回填高度较高，工程经验不充足，也为更好的控制工程质量，了解工程变化规律，也为更加有效的了解水泥搅拌桩加固后地基在受力、沉降、整体稳定性等方面发生的变化，分析土体整体变化发展的状态，了解整个土体的受力状态，因此对该段进行数值分析。

4 水泥搅拌桩参数确定

4.1 水泥搅拌桩拟施工工艺分析：步骤1：场平，场地由标高1米回填至6米，并适度碾压；步骤2：场平结束后进行水泥搅拌桩施工，按照平面间距1米，三角形布置的方式，桩径采用0.6米；步骤3：回填桩顶0.6米砂垫层；步骤4：回填砂垫层顶面4米路基路面。

水泥搅拌桩的桩顶回填厚度为5米，考虑车辆荷载后，复合地基承载力需要达到120KPa才可以满足本项目使用。

本项目为城市主干路，一般路段沉降要求≤0.3m，桥台后控制≤0.1m，工后差异沉降控制在2%。同时该段为软基路段的填方路基，需要进行稳定性分析，需满足稳定性安全系数1.35。

4.2 水泥搅拌桩参数确定、结果分析

（1）桩径、桩间距、桩长

根据项目需要、规范要求、工程经验等因素初步拟定桩径0.6米。由于桩周土的力学性质很差，拟定采用桩间距1.0米的三角形布置。由于该处地基情况很差，海淤严重，地下情况复杂，桩端要求进入持力层最小深度1.0米，根据该原则，两侧桥台处水泥搅拌桩长度分别为17米和10米，装订褥垫层采用0.6米后砂砾垫层。

（2）承载力分析

采用理正设计软件对单桩承载力、复合地基承载力（≥120KPa）、工后沉降（3cm）、整体沉降（40cm）、软弱下卧层（最下面分层附加应力与自重应力之比 = 14.89% ≤15%）进行了复核，均能够满足使用要求。

（3）整体稳定性分析

为保证回填路基的整体稳定性，对路基的横向稳定性分析，计算结果为1.43，满足规范要求。

4.3 数值分析

（1）模型分析

本次数值分析主要模拟道路回填状态下的现状土的变形状态，故对于回填土采用各向同性线弹性模型elastic模拟；对于现场现状土，采用Mohr-Coulomb模型进行模拟。

（2）工况模拟

分析选取桥头两侧的回填断面，详见断面图。

本次数值分析的重点是水泥搅拌桩整体加固效果，对路基采用提高土基系数整体分析的方式来模拟水泥搅拌桩施工效果。

道路路基宽度41米，第二层台阶高度5米，放坡采用1:1.5，路基两侧各模拟30米。

数值模拟采用对称方式建立模型，路基宽20米，回填台阶采用100米，深度50米。

直接回填的路基形式

考虑反压护道回填的路基形式

（3）主要参数计算

本次设计主要分析现状路基处的变形规律，故对模型进行了部分简化模拟，对于回填区采用弹性模型，对现状路基采用摩尔-库伦模型。

材料本构模型选取表

根据相关文献研究成果，对于经过水泥搅拌桩加固的软土，将软土强度提高为原来的2倍左右，也就是将承载力提高到100～120KPa左右。经过调整，程序中使用的各土层的参数如下

?

本次计算分析，对于采用水泥搅拌桩加固过的路基认为是初始状态稳定，然后分别模拟了如下几种工况：

①路基不经过水泥搅拌桩处理、周边不进行反压处理进行回填，数值分析结果是路基很快进入流变状态，超过了软件的分析范围。

在不考虑填筑路基变形的条件下，填筑4-6米时开始失稳。

路基位移图

②路基采用水泥搅拌桩处理、周边不进行反压处理进行回填，数值分析结果是填筑到6-8米时路基开始了较大的变形，接近于失稳状态。

路基位移图

③路基不采用水泥搅拌桩处理仅进行路基两侧预压进行回填，数值模拟的结果是路基竖向的变形较大，对路基的稳定非常不利。

分析时由于忽略了原地面回填的5米荷载，故分析的结果偏于危险 ，实际该段路基不进行搅拌桩处理，初始场平工作都不可能顺利完成。

路基位移图

④路基采用水泥搅拌桩处理、周边不进行反压处理进行回填，数值分析结果是路基比较稳定，路基处于较好的工作状态。

路基位移图

5 结论与展望

5.1 结论

①采用理正岩土分析软件获得的结论与使用FLAC3D获得的结果基本吻合，两种软件都较为可靠的提供了工程决策的依据。

采用FLAC3D软件获得的分析结果更加形象、直观，展示了岩土变化的规律，有助于加深工程理解。

②数值分析过程中同样分析了X、Y、Z方向的单向位移影响，最大、最小应力等多种受力状态等，都表现出了同样的趋势，本次的模拟是较为成功的。

采用数值分析对于更加形象的揭示路基运动、滑动趋势，理解路基的变形均有非常积极的意义。

③数值分析成本较低，可以多次反复的重现工程过程，对于多方案、多工况比选作用明显。在已处理软基段，通过以上的设计以及技术控制，再对路基路面的观测以及对沉降观测结果的分析表明，水泥搅拌桩对该段路基的处理是成功的。

5.2 展望

①由于篇幅限制，对于本次模拟、计算过程中的多处环节进行了省略。

②由于工地、试验等条件限制，本次数值模拟采用了最简单的弹性、摩尔-库伦模型，实际上本次分析的土质可以考虑多种模型组合，例如粘塑性模型、修正剑桥模型等其他的优秀弹、塑性模型等，更加合理的模拟工程变化的规律。