填土速率對軟土路基變形影響的數值分析

左 威,涂文靖

(華東交通大學道橋與巖土工程研究所,江西南昌330013)

填土速率對軟土路基變形影響的數值分析

左 威,涂文靖

(華東交通大學道橋與巖土工程研究所,江西南昌330013)

基于plaxis軟件針對新建彭湖高速K41+200軟土路堤建立有限元分析模型,并開展有限元數值計算。通過分析不同填土速率、不同填土間隔時間工況下該斷面的穩定與變形情況,得出該斷面施工中與工后的沉降變化,并比較在不同填筑速率下施工過程以及工后的沉降變化,論證填土速率對路基施工質量的影響。

填土速率;軟土路基;施工質量;穩定性;沉降變形

1 K41+200斷面所在地質條件

彭湖高速公路是國家規劃建設的長江南岸高速公路通道在江西境內的重要組成部分,是江西省高速公路路網規劃中地方加密高速線的重要組成部分,該工程位于贛江與長江交匯地帶的鄱陽湖沖洪積平原。區內發育有厚度不等的軟土,呈現明顯的層狀結構,常夾雜有各成份的透鏡體(淤泥、細粉砂等)。

地層結構復雜,地基強度小,強度變化大。沿線軟土具有高含水量、高液限、低密度、低強度、高壓縮性、低透水性,高靈敏度的特點。K41+200路基頂面寬24.5 m,坡度為1∶1.5;填土為低液限粉質粘土,中心填方7.2 m;路基底部第一層為淤泥,第二層為粘土,軟土下是一密實砂土層。具體尺度及土層分布,水位線在位于地基面,見圖1[1]。

2 軟土路基穩定、變形性有限單元法分析

2.1 分析原理

彭湖高速為2年建成高速,在計算時將將路基施工時間視為365 d,路堤填筑完成后剩余時間用于靜置預壓,采用Mohr-Coulomb材料類型,利用plaxis軟件的凍結功能實現分層填筑逐級加荷,模擬的工況為:(1)采用的填土速率分別為0.4,0.8,1.2 m?d-1,每填筑層中間時間間隔為15 d;(2)采用0.4 m?d-1填土速率,每層時間間隔分別為3,7,15,20 d。

圖1 K41+200斷面土層分布與計算圖(m)

圖2 K41+200有限元計算模型圖

2.2 計算模型的建立[2-4]

計算時由于該路基斷面為軸對稱,幾何模型以其右側作為分析,有限元分析采用6節點三角單元,程序根據邊界條件自動劃分單元,共559個節點,632個單元。根據圖1,地基計算深度取9.8 m,計算寬度取53.05 m。假設砂土層不出現變形,該層用一固定邊界代替。該有限元計算模型的邊界條件定義通過plaxis給出的標準固定邊界來完成(底部限制位移,兩側限制水平位移),一般水位線位移地基面,具體見圖2,計算參數見表1。

表1 K41+200有限元計算參數一覽表

2.3 計算成果分析[5-6]

(1)填土速率與變形的關系。根據計算及以往經驗,路基中心線地面沉降最大為路基地面中點,而最大側向位移發生在坡腳。采用相同的時間間隔15 d,在填土速率分別為0.4,0.8,1.2 m?d-1,其路基中心沉降和坡腳側向位移如圖3,圖4所示。

圖3 三種填土速率路基中心沉降隨時間變化圖

圖4 三種填土速率路基坡腳側向位移隨時間變化圖

可知,分級填土厚度不同對于工后路基沉降與側向變形影響不大。分層填筑厚度對路基變形的影響主要集中在填土時期,而對于分層填土的固結后期,由于預壓,彌補了施工過程中填土應力調整時間,影響并不大。填筑速率為1.2 m?d-1最先到達穩定而且其工后沉降還略小于40 cm?d-1,而工后的坡腳水平位移僅比40 cm?d-1的大3 cm。對于整個路基的施工質量,三種填土速率的路基工后變形量相差并不大,此時就應該考慮施工過程中的變形速率。根據現有路基施工技術規范,路堤中心線地面沉降速率每晝夜應不大于10～15 mm,坡腳水平位移速率應不大于5 mm[7]。從圖3,圖4中明顯可見,在填土速率為0.8,1.2 m?d-1的施工過程中,其各層填土施工過程中,橫向、豎向變形速率都超了規定值,隨著單層填筑厚度的增加,變形速率也增大。

(2)填土時間間隔與變形的關系。采用規范的0.4 m?d-1的填土速率,每層時間間隔分別為3,7,15,20 d,其路基中心沉降和坡腳側向位移如圖5,圖6所示。

圖5 4種填土時間間隔路基中心沉降隨時間變化圖

圖6 4種填土時間間隔路基坡腳側向位移隨時間變化圖

路基施工速度不僅與單層填筑厚度有關,每兩層填筑之間的時間間隔也是一個決定因素。單層固結的時間,對整個路基施工的質量也有很大影響。固結后期,它與單層填土厚度的變形狀況一樣,工后變形相近[8]。圖中可見,隨著時間間隔的增大,豎向、橫向的變形速率明顯減緩,3,7 d的單層固結時間間隔,路基的變形速率已經超過了規范值,難以確保施工質量。如遇惡劣氣候條件必將出現,如連續降雨等,水分入滲,孔隙水壓上升,沉降速率將進一步增大,在高填方路段滑坡等路基災害更易發生。

3 結論

(1)利用有限元軟件plaxis的幾何狀態激活功能模擬了路基的不同分層、不同時間間隔施工,得出:不同填土速率對軟土地基的工后總沉降影響不大,其影響主要發生在填土初期地基的變形。填土速率大,沉降主要發生在填土階段,且后面有較長的預壓期,所以工后沉降會相對減小,但施工過程中填土期地基變形速率也較大;填土速率小,沉降速率小,填土時間長,后面預壓期短,相反工后沉降大。

(2)現場施工應嚴格控制,因時因地制定合理的填筑速度。填土施工過程中若碾壓達到規定壓實度標準并滿足,可合理增大松鋪層厚度,縮短填土期,預壓期延長,固結度增大,工后沉降減小,工程效果就越好。填土施工控制必須嚴格按照現場條件,保守了會延誤工期,造成人力、物力的浪費;反之會使地基失穩,發生工程事故。為確保工后沉降滿足使用要求,必須保證路基有足夠的預壓時間,這就要求,在滿足路堤穩定和確保施工質量的前提下,填筑施工應盡可能早的完成,便可縮短路堤的總工期。這對于高速公路提早投入運行會產生更高的經濟效益和投資回報有重大意義。

[1]鄭明新,馬國正,趙升,等.彭湖高速公路路基施工沉降觀測與變形規律研究階段報告[R].九江:江西省交通廳彭澤至湖口新建高速公路項目辦公室,2009:9.

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[7]JTG F10-2006公路軟土地基路堤設計與施工技術規范[S].北京:人民交通出版社,2004.

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[9]錢家歡,殷宗澤.土工原理與計算[M].第2版,水利水電出版社,1994.

(責任編輯 王全金)

Numerical Analysis on the Influence of Filling Speed on the Soft Soil Embankment Distortion

Zuo Wei,Tu Wenjing
(Institute of Road Bridge and Geotechnical Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China)

Based on plaxis software,FEM model for new building Peng-hu highway K41+200 soft soil subgrade is established.Through analyzing stability and deformation of the case in the condition of different filling speed and intervals,the paper shows the settlement changes before and after construction,and compares the settlement changes with different filling speed to verify the influence of filling speed on the quality of embankment construction.

filling speed;soft soil embankment;quality of construction;stability;settlement and distortion

TU 472

A

1005-0523(2010)04-0008-04

2010-04-21

江西省運輸交通廳科技基金(2009c0002)

左 威(1986-),男,碩士研究生,研究方向為路基與邊坡方向。