基于HS模型的路基參數模擬分析

寇宏剛 曹 柯

(1.中國人民解放軍92829部隊，廣東 湛江 524037; 2.武漢工程大學資源與土木工程學院，湖北 武漢 430073)

1 工程概況

某路基基礎高出地表4 m，路基頂面寬度為16 m，路基與地表接觸面寬度40 m，路堤材料是砂土。路基的橫斷面左右對稱。水位線與地表平齊，路基下依次為3 m厚的泥炭層和3 m厚的黏土層，黏土層下為密砂層，可以認為是路基的下層固定邊界。路基施工時間為8 d，施工分為四個階段完成，每步施工路基厚度為1 m，施工時間為2 d，并有60 d周期的固結沉降時間。

2 分析基礎

2.1 幾何模型

鑒于模擬的路基的橫斷面是對稱的，所以采用半結構法，僅選擇右半部分進行模擬。因此，研究將在PLAXIS 2D[1]軟件中就路基右半部分斷面建立分析模型。所建模型簡化如圖1所示，采用15節點單元。路基下有6 m的軟土層，即3 m厚的泥炭層和3 m厚的黏土層，水位對應于原始的地表面。由于密砂層不會出現變形，所以模型下部采用固定邊界幾何模型從路基中間開始考慮40 m寬。

2.2 初始條件

在此模型中，有關地下水的初始條件設置如下：1)地下水的密度取值為1 g/cm3，重度為10 kN/m3；2)地下水在路基土體中不流動，處于靜止狀態，即只產生靜水壓力。另外，如圖1所示，模型中其他條件假設如下：1)地下水平面即為通過點(0，0，6)和(40，0，6)的平面；2)由于路基斷面的對稱性，模型左側邊界，即通過點(0，0，0)和(0，0，6)的豎直面設置為不透水邊界；3)模型右側邊界，即通過點(40，0，0)和(40，0，6)的豎直面也設置為不透水邊界；4)其余邊界確定為透水邊界。

在路堤施工之前，沒有路堤的重力作用，建立模型的路堤部分的初始條件只包括靜水壓力，而沒有初始應力。為了在分析中加入初始應力，假設在模型中的路堤部分處于凍結狀態。因而，可以使用K0-過程計算初始應力。同時，也可以接受程序為粘土和泥炭層建議的K0值(基于Jaky公式：K0=sinφ)。

2.3 計算工序

就路基工程施工方面而言，一般應包括4個階段，每個階段耗時2 d。前3個階段施工結束以后，施工暫停，因為路堤土體需要有一個固結沉降的過程。這個固結過程持續約60 d，主要益處是使得路基土體中的孔隙靜水壓力能夠得到充分的消散，并且使路基沉降達到穩定。這一階段固結完成后，可開展第四階段的施工工作。同樣，第四階段施工結束后，路基也要經歷另一個新的固結沉降過程，這個過程結束以后便可確定路基的工后沉降。

鑒于路基施工分為4個階段的情況，參數分析的計算工序應分為8個，最后一步計算工序是固結分析直至最小孔隙水壓力，即為1.0 kPa。在計算分析開始之前，可選擇路基的坡腳為第一個節點，記為節點A，以及第二個節點B(如圖1所示)。選擇這兩個節點的主要目的是，便于生成超靜孔壓曲線來反映超靜水壓的發展變化過程。

3 數值模擬

在分析軟件PLAXIS 2D系統中采用HS材料模型進行分析。其中，用硬化土模型來模擬3種材料，壓力系數m=0.5，破壞比為Rf=0.85。其他參數的確定參考PLAXIS 2D用戶手冊。

圖2給出了路基土體中超靜孔隙水壓力隨施工過程的變化情況曲線，該曲線是分段的，明顯的分為8段，分別代表了參數分析的8個計算工序。曲線的4個下降段顯示，由于采用不排水施工方法，施工過程中超靜孔隙水壓力短時間內逐漸增大；曲線的4個上升段顯示，每個施工階段結束后，由于產生固結沉降的過程，超靜孔隙水壓力逐漸減小。事實上，施工階段和土體固結階段是很難嚴格的區分開來的，在路基施工期土體的固結現象已經開始出現。需要指出的是，相對于土體固結過程，每個施工階段的時間比較短，此階段的土體固結可以忽略不計。由圖2中路基土體的超靜孔隙水壓力隨時間變化曲線可知，路基土體在施工階段及施工完成后，完成整個固結過程所需要的時間超過1 100 d。

分析過程中模擬了施工完成后的超靜水壓分布情況。結果顯示，最大的超靜水壓出現在路基中心線上、路面下大約3 m。模擬過程執行完8個計算工序以后，分析比較8個階段得到的地面和路基的沉降變化結果，可以得到，由第8計算工序得到的地面和路基的沉降增長量最為顯著，這是因為施工過程中路基土體中的超靜孔隙水壓力逐漸完全消散(如圖2所示中曲線的最后一段隨時間增長逐漸逼近0孔壓線)，路基土體固結沉降逐漸完成。在路基土體固結過程完成后，進一步分析路基中超靜孔隙水壓力的分布情況，可得到路基土體的最大超靜孔隙水壓力不超過1.0 kPa。

分析過程中還模擬了路基施工完成后各個位置的位移變化情況。結果顯示，路基位移變化的最大位移值出現在坡腳附近，幾乎可以達到2.85 m左右。分析中還利用變形網格方法特別評估了第7道工序(不排水施工)的位移計算結果，通過放大0.5倍的變形網格的分布情況可以看出，由于路基土體固結變形導致路基坡腳的拱起，由于路基土體施工的不排水條件出現一個腹地，而且不難發現路基土體在施工和固結過程中有一個失效機制逐步產生發展。

圖3給出了路基腳點沉降隨時間的變化情況，圖中曲線也明顯的分為8段，分別對應參數分析的8個計算工序。可知，路基腳點沉降在施工階段的較短時間內迅速增加，但是在固結期，路基腳點沉降隨時間的增加并無明顯變化，最終沉降穩定在2.6 m左右。

模擬分析還給出了第一階段施工完成后有效應力等值線圖、第一階段固結期結束有效應力等值線圖、第四階段施工完成后有效應力等值線圖、第四階段固結期結束有效應力等值線圖，各個階段有效應力均由路堤中部向外逐漸減小，由下至上逐漸減小，且在固結完成后有效應力等值線均向下轉動變疏。其中第一階段施工結束后，最大有效平均應力為26.32 kPa，而在固結結束后，最大有效平均應力增大至31.11 kPa，增大了4.79 kPa；第四階段施工結束后，最大有效平均應力55.82 kPa，而在固結結束后，最大有效平均應力增大至59.27 kPa，增大了3.45 kPa。

4 結語

利用HS模型能夠較好地進行路基參數模擬分析。分析顯示，路基施工包括4個階段、8個計算工序。施工完成后，最大的超靜水壓出現在路基中心之下。路基腳點沉降在施工過程中迅速增加，而在固結期隨時間的增加并無明顯變化。各個階段有效應力均由路堤中部向外逐漸減小，由下至上逐漸減小。

[1] 北京金土木軟件技術有限公司.PLAXIS巖土工程軟件使用指南[M].北京：人民交通出版社,2010.