季節(jié)性凍土路基施工期沉降量預(yù)測

王長江 張向東 蘭常玉

關(guān)于季節(jié)性凍土路基研究主要集中于季節(jié)性凍土路基處治的現(xiàn)場試驗(yàn)方案[1]、季凍地區(qū)路基中的水分遷移機(jī)理及處理措施[2]、季凍區(qū)基礎(chǔ)凍脹成因及防治分析[3]、季凍區(qū)土質(zhì)路塹邊坡淺層含水率變化研究[4]、季節(jié)性凍融期土壤入滲試驗(yàn)[5]、季節(jié)性凍土的處理措施[6]等方面,關(guān)于季節(jié)性凍土路基施工期的沉降研究則鮮見報(bào)道。由于道路在施工期沉降量的不同,導(dǎo)致道路土體運(yùn)營過程中初始結(jié)構(gòu)性的不同,進(jìn)而使得土體具有不同的初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。土體不同的初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度意味著土體不同的重度及含水量,因此會(huì)有不同的凍融特性。研究季節(jié)性凍土施工期的沉降問題,是解決季節(jié)性凍土凍融危害問題的必要前提。本文以哈大高鐵北沙河特大橋小里程端施工段為研究對(duì)象,利用MIDAS軟件進(jìn)行了季節(jié)性凍土路基施工期沉降量的預(yù)測,取得了理想的模擬效果,為今后相類似的工程提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

1 建立模型

選取位于北沙河特大橋小里程端的施工段作為模擬工點(diǎn)。線路在該施工段以填方通過,且所經(jīng)地勢較為平坦,設(shè)計(jì)路堤中心最大填高為5.69 m,邊坡最大高度5.91 m。可影響地層共分兩層,上層為黃褐色黏土,硬塑性,含有可見的鐵錳質(zhì)浸染物,厚度在0 m～2.8 m之間;下層為黃褐色粉質(zhì)黏土,軟塑性,厚度大于20 m;地下水具有硫酸鹽侵蝕性。基床設(shè)計(jì)參數(shù)為:基床表層填0.4 m厚的級(jí)配碎石,以下依次為0.2 m厚的中粗砂,0.9 m厚的非凍脹土和1.2 m厚的 A,B組土,中粗砂內(nèi)鋪設(shè)一層兩布一膜不透水水工布(600 g/m2),基床以下填合格填料。

根據(jù)路基實(shí)際設(shè)計(jì)情況,建立數(shù)值分析模型(見圖1),地表以上填筑材料參數(shù)完全按設(shè)計(jì)參數(shù)確定,各層參數(shù)分別為:基床表層的級(jí)配碎石0.4 m厚,中粗砂層為0.2m厚,非凍脹土層0.9 m厚,A,B組土1.2 m厚。地表以下考慮到具體施工時(shí)采用去除部分粉質(zhì)黏土然后回填黏土的情況,所以模擬過程中取黏土層5 m厚,同時(shí)考慮到應(yīng)力擴(kuò)散角的影響,將粉質(zhì)黏土層設(shè)為15 m厚,15 m以下土體被認(rèn)為超出影響范圍。

模擬過程中采用庫侖摩爾本構(gòu)模型,模型荷載有自重和回填土體上部均勻分布的受壓荷載兩種。約束條件為模型底面上的點(diǎn)定義成鉸接類型,左、右側(cè)的節(jié)點(diǎn)定義為 X方向的滑動(dòng)類型。由于施工階段嚴(yán)格控制含水量,所以定義孔隙壓力為0。第一個(gè)施工階段是施工之前的階段,此時(shí)只有地基的單元承受自重。第二個(gè)施工階段為回填第一部分,以后以此類推,在最后施工階段里施加均布路面荷載。

2 確定模型輸入?yún)?shù)

在利用MIDAS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬的過程中,首先需要確定材料的彈性模量、泊松比、容重、粘聚力、摩擦角等特征值,在土體變形過程中,這些特征值是隨變形進(jìn)程發(fā)展而變化的,因此完全按照MIDAS程序所指明的方法輸入確定的特征值,將會(huì)增大模擬結(jié)果的誤差,為減小誤差,需要?jiǎng)討B(tài)輸入上述特征值。要達(dá)到動(dòng)態(tài)輸入的目的,首先就應(yīng)求出上述特征值的變化規(guī)律。我們知道,上述土體的特征值均從不同角度反映了土體結(jié)構(gòu)性特征,因此可以通過前述確定的結(jié)構(gòu)性參數(shù),并結(jié)合試驗(yàn)分階段確定特征值。首先將模擬過程劃分為3個(gè)階段(階段數(shù)劃分以試驗(yàn)曲線變化階段為準(zhǔn),過少則不能模擬實(shí)際變化過程,過多會(huì)導(dǎo)致計(jì)算過程復(fù)雜而精度卻無顯著提高的情況),在不同階段計(jì)算不同的特征值作為模擬輸入?yún)?shù)值。在模型定義的約束條件下有:

其中,σi為第i階段初始軸向應(yīng)力;εi為第i階段初始軸向應(yīng)變;λi,ζ分別為受圍壓和含水量影響的參數(shù),此次模擬中其值分別為-1.4和0.3;A1,B1均為受含水量影響的參數(shù),此次模擬中其值分別為1.6和1.0。

忽略蒸發(fā)因素的影響,可以認(rèn)為土體沉降過程中含水量不發(fā)生變化,則式(1)中的參數(shù)ζ,A1,B1在各模擬階段不會(huì)發(fā)生變化,但受圍壓影響的 λi會(huì)發(fā)生變化,第 i+1階段的 λi+1可由式(1)變形得到:

其中,σi+1為第 i+1階段初始軸向應(yīng)力,即第 i階段模擬結(jié)束時(shí)的軸向應(yīng)力,可由模擬結(jié)果確定;εi+1為第 i+1階段初始軸向應(yīng)變。第i階段模擬結(jié)束時(shí)軸向應(yīng)變可由模擬結(jié)果確定。

根據(jù)式(1)和式(2)即可求出每個(gè)模擬階段的初始應(yīng)力應(yīng)變值,進(jìn)而可以計(jì)算出每個(gè)階段的彈性模量。在式(1)中,若將σi考慮為主應(yīng)力差,在每個(gè)對(duì)應(yīng)階段中再另外選取一點(diǎn),結(jié)合該階段的初始狀態(tài)和結(jié)束狀態(tài)對(duì)應(yīng)的應(yīng)變,取得一個(gè)階段中的3點(diǎn)應(yīng)變值,然后利用式(1)即可計(jì)算出相應(yīng)的3個(gè)主應(yīng)力差,可以根據(jù)得到的3個(gè)主應(yīng)力差繪制出庫侖摩爾圓,進(jìn)而通過摩爾圓的包絡(luò)線確定該模擬階段的粘聚力和內(nèi)摩擦角,各階段均按上述方法確定各自的粘聚力和內(nèi)摩擦角。泊松比和容重在模擬過程中被當(dāng)作常量,則各階段輸入?yún)?shù)值隨之確定,具體計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 在不同階段中數(shù)值模擬輸入?yún)?shù)值

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

通過三階段模擬方法,完成了北沙河特大橋小里程端的施工段在施工期間路基沉降的數(shù)值模擬計(jì)算,最終計(jì)算結(jié)果見圖2。由圖2可以看出,當(dāng)按上述方法施工結(jié)束后,在 A,B組土與黏土層的分界面附近將發(fā)生較大的水平方向位移。模擬結(jié)果顯示水平向最大位移值發(fā)生在地面附近,其值為2.47 cm。隨土層深度的增加,水平位移值呈減小趨勢,并出現(xiàn)明顯的3階段性變化:在0 m～-3.4 m范圍內(nèi),水平位移值從2.47 cm快速降至1.2 cm;在-3.4 m～-5.1 m范圍內(nèi),水平位移值從1.2 cm緩慢降至0.9 cm,減小速率降至前一階段的0.5倍;在-5.1 m～-15.3 m范圍內(nèi),水平位移值從0.9 cm極其緩慢降至0.1 cm,減小速率降至第1階段的0.2倍,總的影響深度可達(dá)-16.4 m。同時(shí)還可以看出,隨著深度的增加,水平位移的影響范圍也呈減小趨勢。

由圖2還可以看出,當(dāng)按上述方法施工結(jié)束后,在中粗砂、非凍脹土和A,B組土構(gòu)成的土層中將發(fā)生較大的不均勻沉降。模擬結(jié)果顯示最大沉降量發(fā)生在中粗砂與非凍脹土的分界面下非凍脹土中,其值為16.1 cm,接近A,B組土層時(shí)沉降量有所降低,降至14 cm,然后在 A,B組土層中逐漸降至0 cm。在沉降影響區(qū)外側(cè)小范圍內(nèi)土體沒有發(fā)生任何豎向位移,在向外延伸的范圍內(nèi)土體會(huì)被抬升,最大抬升高度為0.2 cm。根據(jù)對(duì)模擬結(jié)果的分析可知,施工過程中所用的非凍脹土和 A,B組土?xí)磔^大的水平位移和沉降,為滿足工程建設(shè)的“0沉降”目標(biāo),應(yīng)更換透水性好、壓縮性更小的材料代替非凍脹土和 A,B組土。

[1]鐘 衛(wèi),朱 明,袁文忠.高原季節(jié)性凍土路基處治的現(xiàn)場試驗(yàn)方案研究[J].路基工程,2007(1):59-60.

[2]朱 明,宋 琿,鐘 衛(wèi).季凍地區(qū)路基中的水分遷移機(jī)理及處理措施[J].路基工程,2007(1):62-63.

[3]王 虹,姚相權(quán).季凍區(qū)基礎(chǔ)凍脹成因及防治分析[J].民營科技,2009(2):1.

[4]單 煒,劉紅軍,楊 林,等.季凍區(qū)土質(zhì)路塹邊坡淺層含水率變化研究[J].巖土力學(xué),2008,29(sup):335-341.

[5]杜 琦.季節(jié)性凍融期土壤入滲試驗(yàn)綜述[J].地下水,2009(31):14-18.

[6]張玉聲.季節(jié)性凍土的處理措施[J].北方交通,2009(5):50-51.