Settle3D软件在黄土公路路基变形分析中的应用

2021-05-13张志军张俊然何芳婵赵金玓严天岗李世伟田明磊

水利与建筑工程学报 2021年2期

张志军，张俊然，何芳婵，赵金玓，严天岗，李世伟，田明磊

(1.河南省白龟山水库管理局，河南平顶山，467031；2.华北水利水电大学, 河南郑州 450046；3.河南省水利科学研究院，河南郑州 450003；4.河南省地质矿产勘查开发局第二地质环境调查院，河南郑州 450053)

黄土在我国分布非常广泛，常作为天然建筑材料用于在路基的填方工程中。具有结构强度的天然黄土属于欠压密土，其结构性和多孔隙性导致的压缩及湿陷特性对工程的影响非常大。黄土地区路基容易受到降雨等恶劣气候的影响，从而产生不均匀沉降、泥石流、滑坡、坍塌等工程问题[1-5]。与原状黄土相比，黄土路基填筑工程中所用压实黄土结构性消失，孔隙减少，能够有效消除黄土的湿陷性，改善压缩性[6-9]。公路填筑过程中的路基沉降和工后沉降，直接影响公路建设质量和运行期的维护费用，路基变形问题受到工程界的广泛关注。因此探究黄土公路路基，在天然和降雨情况下变形规律具有重要的工程指导意义[10]。

原状黄土与压实黄土的结构性明显不同，因此其变形特性的表现有所不同。陈存礼等[11]指出黄土的结构性参数和压缩指标具有相互关联性。黄雪峰等[12]指出垂直压力影响压实黄土的变形量，且压实度越大的黄土总变形量越小。杨玉生等[13]对压实黄土的变形性质进行了一系列的试验研究。

关于数值分析研究方面，蒋正舜等[14]用FLAC3D对陡坡路基不均匀沉降建立模型，指出路堤高度、坡度、填土高度的增大都会引起总体沉降与不均匀沉降的增大；刘永贵等[15]运用SEEP/W软件建立半填半挖路基模型，指出在降雨初期路基土体出现压缩变形,在后期则表现为体积膨胀而发生回弹；宋晶等[16]用数值计算指出土体结构性破坏越严重，土层压缩量越大，对应路基沉降量越大。

国道G310三门峡至豫陕界段新建工程施工路段包含黄土路基填筑工程。黄土路基常因遇水湿陷而产生不均匀沉降，存在安全隐患。为此选取K142+824—K143+089段和K154+935—K155+229段高填路堤为研究对象，运用Settle3D软件，模拟天然和降雨情况下，对黄土路基不同填筑阶段的沉降进行数值分析，以便获得黄土公路路基填筑时期的变形规律。

1 工程概况和模拟参数

1.1 工程概况

三门峡路基施工段起始桩号K134+300，终止桩号K173+193，全长约38 km。详细的工程概况可见参考文献[17]。选取典型的K142+824—K143+089(A段)和K154+935—K155+229(B段)两个填方路段进行数值分析，其中A段的填筑高度H=40 m，填筑共20个阶段，模拟选取第1、5、10、15、20阶段；B段的填筑高度H=24 m，填筑共12个阶段，模拟选取第1、4、8、12阶段。典型黄土路基段的位置示意图如图1所示。

图1 典型黄土路基段的位置示意图

1.2 模拟参数

通过室内试验获得A、B两处黄土公路路基的基本物理特性参数如表1所示，颗粒级配曲线如图2所示。由此可判别两处路基黄土均为级配良好的粉质砂黄土。制备原状黄土和压实黄土试样(其中压实度为95%)进行固结压缩试验，得到原状和压实黄土的变形模拟参数，以此评价压实黄土的变形特性，并为数值模拟分析高填路基填筑不同阶段沉降提供试验数据。具体模拟参数如表2、表3所示。由此可判断，原状黄土为高压缩性土，击实黄土为低压缩性土。

表1 黄土的基本物理性质参数

2 数值模拟

运用Settle3D数值计算软件建立典型断面三维计算模型，实现分层填筑路基全过程的沉降模拟，A路段的设计示意图如图3所示。

表2 A路段材料参数

表3 B路段材料参数

图2 公路路基黄土的粒径分配曲线

图3 A路段的设计示意图

降雨条件用黄土浸水饱和后的参数进行模拟，设置天然和降雨情况，设置路基填土分别为原状和压实情况，以便分析典型黄土路基A、B断面的沉降变化规律。取断面的一面一线一点为分析对象，具体也可参考文献[17]，即路基横截面、路基中心线、中心线的点，具体分布如图4所示。

3 计算结果与分析讨论

根据各填方路基情况绘制平面和三维计算模拟图，其三维模型图如图5所示。

根据所得数据绘制地表横截面沉降变形模拟图和中心点的沉降变形图分别如图6、图7所示(只列出A段)。从整体观察，沉降形态呈凹陷的“浴缸”状，凹陷程度随填方阶段的增加而逐渐加深。即从外侧路基沉降量较小，越靠近中心，沉降越大。这是因为路堤呈堤坝形，内侧受荷最大，变形量也最大，填方土体的增多会使这种现象更加明显。从沉降量随距路基外边缘距离变化曲线分析，路基中心位置沉降量最大，沿中心线向两边沉降逐渐减小。从选取路基中心线的某点，分析随地基持力层深度变化时沉降量的变化，发现最大沉降量出现在持力层土层表面，填方深度越大，总沉降量越小，其减小程度随深度的增加而逐渐增大。

图4 断面三处位置示意图

图5 三维模拟结果示意图

图6 地表横截面沉降变形数值分析结果

取地表横截面沉降变形模拟图的峰值点，也即中心点沉降模拟图与Y轴的交点作为各阶段的沉降量，具体的数据如表4、表5所示。从施工阶段分析，天然情况和降雨情况下，相同阶段下原状黄土路基的沉降量均大于压实黄土路基的沉降量。这是因

图7 取中心点的沉降变形模拟图

为原状黄土多为粒间大孔隙，受压容易沉降，遇水容易湿陷。从A段第1、5、10、15、20阶段沉降看，地基土固结速率在逐渐减小，呈非线性减小。即1～5、5～10、10～15、15～20各个施工阶段间沉降量差值在逐渐减小。从工况条件分析，降雨情况下的原状黄土和压实黄土路基的沉降量均比天然情况下的沉降量大，原状黄土路基沉降量的增大程度比压实黄土的高。这是因为黄土具有湿陷性，浸水使得土体内部的孔隙结构发生变化，从而产生不均匀沉降，原状黄土的湿陷性更强，因此沉降量的增大程度更大。因此，在填筑过程中务必要注重防、排水措施。表中的数据同样说明现场的压实地基在浸水后结构强度的减弱不明显，证明了现场设计施工数据的可行性。