高填方路基沉降数值模拟与现场监测分析

贺 佳

(山西交科公路勘察设计院有限公司 太原市 030006)

0 引言

高填方路基自重大,工后自身压缩沉降量较大[1],如施工过程中压实质量不足会造成路基开裂、不均匀沉降等病害,造成道路整体结构的破坏。高填方路基沉降主要包括路基在自重应力作用下产生的压缩变形和地基沉降两部分[2-3],地基的处治和路基压实质量是施工质量控制的关键。对于山区公路,地基表层软土覆盖层较浅,加固处治后由于地基承载力产生的沉降较小,因此路基自身沉降是高填方路基沉降控制的重点。由于施工过程中的沉降监测受到各类施工因素的影响[4],造成观测点破坏、观测的时效性差等会影响监测结果的准确性。而利用有限元模型根据设计资料建立数值分析模型[5],对高填方路基施工过程中和工后沉降进行模拟分析,可指导现场施工,降低路基自身沉降,保证路基的稳定性。文章以40 m高填方路基作为研究对象,在路基填筑施工过程中采用振动压实与强夯相结合的施工方法,利用有限元软件建立模型,模拟路基施工过程,对高填方路基施工过程中和工后沉降进行模拟计算,分析路基的稳定性。

1 高填方路基现场施工方案

1.1 工程概况

某山区高速公路沿线地形高低起伏,最大高差达到184.9 m。高速公路路基采用双向四车道设计,整体式路基设计宽度为25.5 m,分离式路基宽度为12.75 m。其中K25+245～K25+482段采用高填方路基,路基最大填方高度为42.5 m。该路段地基土上层为粉质黏土,厚度为1.7 m。文章以40 m高填方路基为例,路基边坡分四级,其中一级～三级边坡坡度为1:1.75,四级边坡坡度为1∶1.5,两级边坡之间设置2 m宽边坡平台。路基边坡采用拱形骨架植草防护,部分路段采用满铺浆砌片石护面墙防护,以坡面提升抗冲刷性能。

1.2 高填方路基施工方案

K25+245～K25+482段地基土采用砂砾换填处理,处治后检测地基承载力达到了设计要求。高填方路基填料选择土石混填材料,自路基自下而上分层摊铺、分层压实,采用振动压路机进行分层碾压。路基填筑到达到单级边坡高度(8 m或12 m)后,进行一次强夯加固处理。路基分层碾压采用振动压路机,单层松铺厚度为50 cm,先静压再振动碾压,为保证平整度先静压两遍后再进行振动碾压6遍。强夯处治夯点采用正三角形布置,布置间距为3.5m,单击夯击能为3000 kN·m。先进行三遍点夯,再满夯一次,当最后两击夯沉量不大于3 cm时即可停夯。点夯选用复缆履带式起重机,夯锤重量为25 t,落距为12 m。满夯夯锤重量为10 t,直径为2 m,落距为3 m,锤印重叠不少于1/4。

2 高填方路基有限元模型建立

2.1 基本假定

结合高填方路基设计资料,对路基的施工过程进行模拟分析,为准确分析路基自身沉降变形规律,做出以下假设:

(1)假定路基填料各向同性,为理想弹塑性体。

(2)由于地基变形量较小,不考虑地基变形对路基的影响,假定路基已固结。

(3)路基填料的沉降计算只考虑其自重荷载,不考虑行车荷载等因素。

(4)路基自重荷载自地基顶面按自下而上分层加载,不考虑填料固结和孔隙水压力的影响。

2.2 建立模型

采用40 m高填方路基作为研究对象,采用有限元软件按照设计资料建立模型。路基填料采用土石混填,路基横断面采用台阶式,路基下部宽度为173.5m,上部宽度为25.5 m。有限元模型建立时,按照路基施工顺序,采用自下而上的顺序建模。模型坐标系建立:X轴右方向为正,Y轴向上为正。先建立一半路基模型,再利用模型的对称性建立另一半。

2.3 模型计算参数

路基填料选用土石混填材料,模拟高填方路基分层碾压与分层强夯相结合的施工方法。高填方路基不同填料土层模型编号分别为M1、M2、M3、M4,各层路基填料计算参数如表1所示。

表1 路基填料模型计算参数

2.4 网格划分和边界条件

网格划分:高填方路基计算模型网格采用二维实体单位结构划分,文中选择网格尺寸为2.0 m,40 m高度路基共划分2048个实体单元,总节点数量为1126个。边界条件:模型底部水平和竖直方向均约束,模型底部边界为:y=0、u=0,v=0,各自由面上X轴与Y轴方向上的应力均为0,40 m高填方路基模型网格划分如图1所示。

图1 40 m高填方路基模型网格划分示意图

3 高填方路基沉降模拟计算结果分析

模型计算过程中,每填筑一层增加一层路基自重荷载,单次填筑后增加的自重荷载为G=γiHi,其中γi为填料的容重,Hi为填层高度。模拟路基分层填筑施工过程,分层碾压,达到一定填筑高度后进行强夯处治。分层碾压和分层强夯下的路基填料容重γ见表1。按照高填方路基选择的四种填料分别建立土层模型,编号分别为M1、M2、M3、M4。为分析路基不同深度沉降变化规律,在路基内部布置A、B、C、D四个计算点,均位于路基中线位置,分别位于路基底面以上4 m、8 m、12 m和16 m位置。在路堤填筑的各施工阶段,对采用不同路基填料路基沉降进行数值模拟分析,以上述四个计算点的沉降计算结果作为研究对象,分析路基的沉降变化规律。利用模型模拟路基施工过程,不同路堤填料各计算点沉降值计算结果如图2～图5所示。

图2 M1不同施工阶段计算点沉降变化曲线

图3 M2不同施工阶段计算点沉降变化曲线

图4 M3不同施工阶段计算点沉降变化曲线

图5 M4不同施工阶段计算点沉降变化曲线

分析图2～图5所示四种不同土石比例路基填料在不同施工阶段路基沉降变形曲线,得出随着填方高度的增加,路基沉降量不断提高,沉降速度呈现前期增长速度较快,后期增速逐步趋缓的趋势。四个填层各计算点沉降变化曲线基本一致,其中选用M1填料施工期间D计算点沉降量最大,填筑完成后沉降量值基本稳定在16.23 cm,采用M4填料施工期间D计算点的沉降量相对最小,填筑完成后沉降量值基本稳定在11.24 cm,M2、M3填料沉降量居中。

另外,进一步整理高填方路基M1、M2、M3、M4四种填料土层模型各计算点的沉降数值模拟计算结果,得出四种填料高填方路堤达到稳定状态所产生的最大沉降量分别为32.83 cm、29.14 cm、26.22 cm、24.58 cm。进一步分析得出高填方路基沉降随填料中土所占比例的增加而增加,且土石比例为100∶0沉降量最大,而土石比例为25∶75沉降量最小,说明填料中含土比例越高,路基沉降量越大。

4 高填方路基沉降现场监测结果分析

为准确确定高填方路基施工现场沉降监测结果,分别在路基中心线位置和路基两侧布置沉降桩。沉降桩采用现浇钢筋混凝土制作,尺寸为50 cm×50 cm×20 cm,沉降桩中心布置一根直径为5 cm的钢筋,路基沉降桩布置如图6所示。为与数值模拟分析结果进行对比分析,在施工现场布置四个沉降桩,分别命名为A、B、C、D,四个测点分别位于路基底部以上4 m、8 m、12 m和16 m位置,与数值模拟分析四个计算点一致。在路基填筑施工过程中,依次布置测点,并对各测点在施工中的沉降进行监测。各测点现场沉降监测采用精密水准仪和铟钢尺,按照二等水准测量方法进行观测。埋设后进行初次监测,作为初始值,以后每次监测值与初始值相减确定沉降量。在路基填筑施工过程中,对各沉降桩沉降量进行监测,整理数据绘制路基沉降现场监测变化曲线如图7所示。

图6 高填方路基现场监测桩布置

图7 高填方路基现场监测变化曲线

分析图7曲线变化趋势,可以得出在施工前期路基沉降速率较大,随着填层厚度的增加不断下降,沉降速率逐步趋缓,且在完工后路基沉降明显下降,监测300 d路基沉降量基本稳定,其中D点沉降量最大,最大值为35.12 cm。现场高填方路堤填料为砂性土,与上述数值模拟计算中M1填料土层模型的D点沉降量计算结果(32.83 cm)十分接近,且略高于计算值。分析原因是由于在模型分析没有考虑地基沉降、车辆荷载和气候等因素的影响,但数值模拟计算结果较准确。

5 结语

结合某高速公路高填方路基施工项目,采用有限元软件建立模型进行数值模拟计算,与现场沉降监测结果进行对比分析,得出以下结论:

(1)通过数值模拟计算得出采用不同土石比例填料路基各计算点沉降量,得出路基各深度沉降量随填料中土所占比例的增加而增加,M1填料D计算点沉降量最大,M4填料D计算点的沉降量相对最小,M2、M3填料居中。

(2)高填方路基采用M1填料土层模型最终沉降量最大,M4填料最终沉降量最小,即土石比例为100:0沉降量最大,而土石比例为25:75沉降量最小,说明随路基填料中土所占比例的增加,路基沉降量也随之增加。

(3)与现场监测结果对比分析,得出高填方路基现场监测值略大于模型计算值,这是由于没有考虑地基沉降、车辆荷载和气候因素的影响造成的,但二者比较接近,说明采用有限元模拟计算结果准确,可用于指导现场施工。