山碴石填料路基沉降數值模擬研究

韓治勇， 方金苗， 李偉強

(1.皖西學院 建筑與土木工程學院， 安徽 六安 237012； 2.安吉城市投資集團有限公司， 浙江 安吉 313300)

0 引 言

山碴石作為山皮石中含石量較高的土石混合料，具有含石量高、石料強度大，并含有部分土質、砂粒等細集料，廣泛存在于各類山體開采區[1].如能將儲存量如此之大的山碴石填料運用于需求巨大的公路建設工程中，既能顯著消耗山碴石儲存量，緩解環境破壞的壓力，又能替代常規的土質填料，從再生利用等綠色理念考慮，無疑會給公路建設帶來極大的經濟效益和社會效益.目前，國內外學者對山碴石類似土石混合料做了大量的研究，并取得了豐碩的成果[2-7].基于此，本研究擬在土石混合料的相關研究基礎上，針對皖北地區山碴石填料的路用性能，從數值模擬角度對山碴石填料路基沉降進行分析，擬為類似公路工程建設提供參考.

1 山碴石路用性能數值模型

1.1 基本假定與模型建立

根據巖土體性質及其組成，利用Mohr-Coulomb破壞準則，本研究采用FLAC3D建立山碴石路基計算模型如圖1所示.Mohr-Coulomb模型參數如表1所示.為了減少計算時間，取地基模型深度方向的厚度為6 m，模型的長×寬×高為12 m×5 m×6 m，地基模型共產生23 040個單元，29 350個節點；山碴石填筑路基模型按照松鋪厚度為0.4 m，寬度5 m作為基礎模型，共產生2 880個單元，3 675個節點.模型上部為自由面，側面和底面均采用固定約束，其中側面只約束水平方向的位移.由于路基的壓實工藝采用動荷載振沖壓實，對于土體的加固主要為動應力，而在土體中動應力的傳播是以波的形式.為了精確地研究應力波在土體中的傳播規律，網格的尺寸要求小于最小波長的1/10～1/8，計算模型的單元尺寸邊長取為0.25 m以滿足精度要求.

圖1 地基計算模型示意圖

1.2 邊界條件

通常，初始地應力場的存在和影響不容忽略，它既是影響巖體力學性質的重要控制因素，也是巖體所處環境條件發生改變時引起變形和破壞的重要原因之一.同時，仿真模型的尺寸不可能無限大.因此，要想比較真實地進行工程模擬仿真，除了保證初始地應力場的可靠性外，還要選取合適的邊界條件.初始地應力場生成的主要目的是為了模擬土體已存在的應力狀態，而邊界條件則是更好地實現仿真所必須.

本研究假定巖土體為均質、連續的各項同性體，則巖土體的自重應力場為，

σz=γ·H

(1)

(2)

式中，μ為泊松比；H為巖體至地表的距離，m；γ為上覆巖層容重，N/m3；σx、σy、σz分別為X、Y、Z方向的自重應力場，MPa.

因本計算模型考慮了足夠的邊界效應，故模型底面和四周均受鏈桿約束，頂面受荷載約束，即X軸邊界限制X方向移動，Y軸邊界限制Y方向的移動，Z軸(鉛垂方向即深度方向)下邊界限制Z方向移動，上邊界地表為自由面.

2 數值模擬分析

2.1 振動碾壓下路基應力場和位移場變化規律

鑒于試驗段路基是在施工過程中一次填筑完成，且填筑高度為40 cm.故，本文后續數據分析時出現的h=0.4 m含義是，填筑路基的底面到山碴石路基表面的高度.同時，在仿真模擬強振碾壓下路基應力場和位移場的變化規律時，只考慮在路基表面施加1次強振荷載(強振其沖擊力取150 kN，其碾壓速率為2，振動頻率取30 Hz)來模擬路基振動碾壓的過程，由于振動沖擊的時間很短，不考慮沖擊碾壓后土體的固結，故只計算1次沖擊作用下動力響應和位移的變化.在振動荷載作用下，山碴石填土路基在不同深度處的土體受1次沖擊碾壓時動應力的時程曲線如圖2所示.

圖2不同深度動應力時程曲線

由圖2可以看出，土體單元動應力均出現2個應力波峰，第1波峰持續時間較長，為0.025 s，第二波峰持續時間較短.第二波峰主要是由在不同土層接觸面之間波的反射造成， 當沖擊波到達山碴石填土路基和地基的接觸面時，會產生反射波.路基表面(h=0.4 m)在沖擊碾壓荷載作用下的最大峰值動應力為318 kPa，出現在0.014 s，而山碴石路基表面以下0.4 m(h=0 m)處的峰值動應力為56 kPa，出現在0.017 s，說明沿深度方向峰值動應力急劇減小.同時可見，通過沖擊碾壓的方式來加固山碴石路基，其沖擊能量大部分作用于填土路基(填土高度為0.4 m).對于現場施工而言，由于填土地基經過靜壓處理，較為密實，而路基土體較為疏松，此時大部分沖擊能被路基土體吸收，用來壓縮固結.所以對于山碴石地基，后期碾壓所導致的沉降主要為路基土體的壓縮沉降量.

為研究沖擊碾壓的加固范圍，根據土力學中對有效加固深度的規定，對于軟土和一般土來說，附加應力分別取自重應力的10%和20%.由于粉黏土屬于一般土，有效加固深度的臨界值取為后者較大值(即取動應力和自重應力的比值為20%).動應力沿深度方向的變化曲線如圖3所示.通常，動應力曲線與0.2倍自重應力線的交點即為加固范圍的臨界點，即沖擊加固的有效深度約為3.8 m.

圖3動應力沿深度變化曲線

從圖3可以看出，動應力沿深度方向衰減很快且大致呈直線衰減，當沖擊加載時間為0.01 s和0.02 s時，應力等值線有交叉點且都比0.015 s的應力值小，此和圖2的變化規律一致.

不同深度處的土體經1次沖擊碾壓后的豎向位移時程曲線如圖4所示.

圖4不同深度下豎向位移時程曲線

從圖4可以看出，山碴石路基在其表面處的沉降值最大，同時豎向位移隨著時間的增加近似呈線性增加，豎向位移達到最大值后有較小的回彈，主要是因為山碴石填土路基一開始時呈較為松散的狀態，此時的山碴石路基可以在極短的時間內被沖擊壓密.由于作用時間很短，土顆粒之間的力的傳遞滯后于沖擊波的傳遞，所以當外部碾壓結束之后，在數值模型中土體會繼續有一定的沉降值.填土路基表面在1次沖擊碾壓荷載作用下的最終位移為3.2 cm，且在0.035 s時出現.由此可知，位移沿深度方向的傳遞規律和動應力相似，且隨著深度的增加，土體位移出現峰值的時間相對滯后.

在振動碾壓作用下，不同深度處的豎向位移沿徑向變化的曲線如圖5所示.

圖5豎向位移沿徑向分布曲線

從圖5可以看出，不同深度處路基的豎向位移沿徑向變化的規律基本相同.在振動碾壓作用下，沉降與徑向距離呈負相關，且衰減速率呈先快后緩，越靠近振動碾壓的部位，沉降值越大.

2.2 山碴石填土路基沉降云圖

本研究根據試驗段的施工參數進行相應的碾壓施工以及路基分層填筑，每層填筑的高度為40 cm.首先，采用自重25T的重型振動壓路機穩壓1遍，后弱振2遍、強振4遍，最后用18～21 T三輪壓路機靜壓，直至壓實合格后停止靜壓.碾壓時由外側向中間做進退式碾壓，橫向接頭重疊寬度為1～2 m.本模型的動力荷載采用簡化的正弦函數荷載，由于動荷載的作用時間很短，在模擬壓實的過程中不考慮動力壓實后的土體固結，只計算動力響應和位移變化.碾壓時，壓路機碾壓速度控制在2～4 km/h之間，頻率為20～30 Hz左右.

山碴石填土自重作用下的路基沉降云圖如圖6所示.

從圖6中可以看出，其最大沉降值為1 mm，所以對于山碴石填土路基而言，其自重引起的路基沉降可以不計.

3 沉降影響因素分析

山碴石路基碾壓完成的標準為路基表面外觀無明顯輪跡.故本研究填筑時結合水準儀沉降量檢測壓實效果，用振動壓路機強振2遍碾壓沉降量不大于2 mm.現場碾壓中往往會出現個別路段最終的碾壓沉降差大于2 mm，從而產生沉降不均勻的現象.

圖6自重作用下路基沉降云圖

3.1 填料分層厚度

為研究填料分層松鋪碾壓對路基壓實效果的影響，在試驗中，對于山碴石路基松鋪選取3種分層方案：方案1，一次松鋪60 cm；方案2，2層松鋪，每次30 cm；方案3，3層松鋪，每次20 cm.為保證每種方案總的碾壓荷載相同，選取6遍靜壓，其中，方案2每松鋪一層碾壓3遍；方案3每松鋪一層碾壓2遍.

碾(靜)壓和6遍碾壓之后路基的沉降云圖如圖7所示，不同填料分層厚度路基碾壓累計沉降值如圖8所示.

圖7不同分層厚度路基壓實沉降云圖

結合圖7與圖8可以看出，方案1的山碴石路基采用一次松鋪完成，在第3遍靜壓荷載壓實之后，路基沉降增長值較小，其最終沉降量為7.5 cm.方案2采取2次松鋪完成，每次松鋪完成后，靜壓荷載進行3遍壓實，共6遍碾壓，其最終沉降量較方案1增加1.2 cm.方案3采用3次松鋪完成，每次松鋪完成后，靜壓荷載進行3遍壓實，其最終沉降量較方案1增加1.9 cm.數據表明，山碴石路基分層碾壓效果隨分層數的增加越來越明顯.

圖8不同填料分層厚度路基碾壓累計沉降值

3.2 山碴石填料參數

對于山碴石路基填筑工程來說，實際工程地質條件或者施工環節的影響會導致填筑時山碴石顆粒的不均勻，不同路段的山碴石路基填土的特性通常存在一定差異，在土體物理參數上則表現為路基土的粘聚力和彈性模量存在一定程度的差別，由于山碴石路基主要為顆粒狀，粘聚力本身較小，這里就不做考慮.為研究其對山碴石路基不同路段的壓實效果，有必要在仿真模型中改變土體的物理參數，對不同材料特性的山碴石碾壓總沉降進行分析計算.不同彈性模量下，經過8次碾壓作用下的位移沉降如圖9所示.

圖9不同彈性模量對路基豎向位移影響

由圖9可知，彈性模量分別為30 MPa、40 MPa、50 MPa時，對應的最終沉降分別為8.2 cm、7.8 cm、7.4 cm.數據表明，隨著土體彈性模量的增加，山碴石填土路基沉降量的下降幅度較大.彈性模量由30 MPa變化至50 MPa時，最大沉降量變化范圍達到9.8%，可見，路基彈性模量對于山碴石填土路基沉降影響較大.因此，在實際路基施工過程中，應嚴格按照規范對路基填料的彈性模量等物理參數進行試驗測定，以保證路基填筑壓實的穩定.

4 結 論

在試驗中，填土路基表面在一次沖擊碾壓荷載作用下的最終位移為3.2 cm，且在0.035 s時出現.位移沿深度方向的傳遞規律和動應力相似，且隨著深度的增加，土體位移出現峰值的時間相對滯后.同時，試驗中，山碴石路基采用一次松鋪完成，在第3遍靜壓荷載壓實之后，路基沉降增長值較小，其最終沉降量為7.5 cm；采取2次松鋪完成，每次松鋪完成后，靜壓荷載進行3遍壓實，共6遍碾壓，其最終沉降量為8.7 cm；采用3次松鋪完成，每次松鋪完成后，靜壓荷載進行3遍壓實，其最終沉降量較方案1增加9.4 cm.說明山碴石路基分層碾壓效果隨分層數的增加越來越明顯.當彈性模量分別為30 MPa、40 MPa、50 MPa時，對應的最終沉降分別為8.2 cm、7.8 cm、7.4 cm.說明隨著土體彈性模量的增加，山碴石填土路基沉降量的下降幅度較大.彈性模量由30 MPa變化至50 MPa時，最大沉降量變化范圍達到9.8%，可見路基彈性模量對于山碴石填土路基沉降影響較大.本研究表明，合理進行施工壓實操作，對提高山碴石類似路基施工沉降具有重要的指導意義.