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丹金高速常州段软土路基沉降规律数值模拟计算及计算精度分析

2020-09-10吴叶群

交通科技与管理 2020年15期
关键词:软土路基

吴叶群

摘 要:针对软土路基段孔隙率大、稳定性差,新建高速公路路基沉降大,为了研究新建高速公路在软土地质区域的沉降分布规律,本文以丹阳至金坛高速公路常州段为研究对象,借助FLAC三维有限元计算软件,采用数值模拟计算了实例工程的沉降分布,研究了实例工程天然路基段和复合路基段的分布规律,研究结果显示:复合路基段的地质条件比天然路基段要恶劣。但通过水泥搅拌桩加固等方法处理后,沉降值要远小于天然路基段。加固方式合理有效。

关键词:软土路基;沉降大小;计算精度;三维数值模拟

中图分类号:U416.1 文献标识码:A

0 前言

在高速公路的结构体系中,路基是承受路面及车辆荷载,并传递至基础的关键部分,由于软土层孔隙率含水率高、可压缩性大、稳定性与强度差,进一步突出了路基稳定性与沉降量的问题。精确计算拟建高速公路的路基沉降量,并针对性地提出相应措施,是科学判断工程可行性,合理制定设计、施工方案的重要保障。

本文以新建丹阳至金坛高速公路常州段为对象,探讨三维有限元模拟计算在软土路基沉降计算中的应用。

1 实例工程概况

1.1 穿越点概况

丹阳至金坛高速公路是《江苏省高速公路网规划(2017―2035年)》中新增的纵向高速公路,是江苏省规划“十五射六纵十横”高速公路网中“纵三”阜宁至宜兴高速公路的重要组成部分,编号为S35。起自与沪蓉高速公路交叉处的丹阳新区枢纽,北接已建的镇江至丹阳高速公路,向南经丹阳东、珥陵、武进西、金坛东,止于与沪武高速公路交叉处的金坛经开区枢纽,接已建的常州至溧阳高速公路,路线全长约42公里,其中丹阳段29.8公里、常州段合计12.2公里(武进区约3.5公里,金坛区约8.7公里)。

1.2 地层岩性及地基处理方式

根据本工程收集资料,本工程场地约25.00 m深度范围内所揭露的地基土层均属第四纪全新世Q43~晚更新世Q31的沉积层,主要由黏性土、粉性土和砂性土组成。根据实测资料,本工程段的地层岩性以江阴站为可分为两段。

(1)天然地基段(K+000~K3+225)。地层共分为5层,最上层为5.43 m厚的砂土,渗透系数较大,易坍塌,在一定的水动力条件下,可能产生流砂、管涌等现象,对本工程的管涵基槽开挖可能会产生一定的影响;其次为粉质粘土,厚4 m,再往下分别为4.7 m厚的淤泥质土、4 m厚的粉质粘土及1.2 m厚的粉土。

(2)复合地基段(K3+225~K7+113)。地层分为5层,从上至下依次为0.5 m厚的砂垫层、3.7 m厚的粉质粘土、5.9 m厚的淤泥质粘土、9.6 m厚的粉质粘土和1.8 m厚的细砂。由于采用水泥搅拌桩加固,因此最上层需再覆盖4.1 m厚的填土。

2 模型边界与参数设定

借助FLAC三维有限元计算软件,采用数值模拟计算方法研究实例工程穿越过程中,地基沉降的大小和分布范围变化。

2.1 初始条件与边界条件

在本文研究范围内,初始时刻满足以下条件:

(1)

在式中,为初始水位值、为初始竖向应力、为初始孔隙水压力。

3 模型计算结果分析

3.1 天然路基段

丹阳至金坛高速公路常州段K0+000~K3+225段为天然路基段。经计算可知:

(1)施工第530天(施工完成后第85天)天然路基段达到最大沉降,此后沉降量稳定,不再增加。

(2)主要沉降区域发生在②淤泥质土及③粉质粘土区域,这两个土层区域的沉降值在30.12 cm~47.60 cm范围内。砂土层的沉降值为12.15 cm~22.48 cm;①粉质粘土的沉降值为22.0 cm~30.5 cm;④粉土的沉降值为24.2 cm~33.6 cm。

(3)路基沉降达到最大值出现在K1+660断面,最大沉降值为47.60 cm。

3.2 复合地基段

采用理想的本構模型,桩与土均看做是均质、同性的材料。符合地基的网格划分及桩基受力情况见图1。

(a)第一级荷载加载后(第120天)

(b)第三级荷载加载后(第190天)

(c)最大地基沉降分布(第542天)

丹阳至金坛高速公路常州段K3+225~K7+113段为复合路基段,沉降计算结果见图2。经计算可知:

(1)施工第542天(施工完成后第93天)天然路基段达到最大沉降,此后沉降量稳定,不再增加。

(2)主要沉降区域发生在砂垫层、①粉质粘土和②淤泥质土,沉降值在15.2 cm~27.0 cm范围内。填土层的沉降值为5.2 cm~15.3 cm;③粉质粘土的沉降值为5.8 cm~10.6 cm;细砂层的沉降值为0.5 cm~7.1 cm。

(3)路基沉降达到最大值出现在K3+020断面,最大沉降值为27.0 cm。

4 结论

为了研究新建高速公路在软土地质区域的沉降分布规律,本文以丹阳至金坛高速公路常州段为研究对象,借助FLAC三维有限元计算软件,采用数值模拟计算了实例工程的沉降分布,研究了实例工程天然路基段和复合路基段的分布规律。本文研究结论可为同类工程的计算、应用提供参考。

参考文献:

[1]汤连生.路基土动荷载下力学行为研究进展[J].地质科技情报,2016(02):103-112.

[2]Thornton S I,Resilient Modulus—What does It Mean[C].Proceedings 37th Highway Geology Sy mposiu m,Helena,Montana.

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