高填方吹填路基施工過程數值模擬研究★

成小鋒 王武超

(1.鎮(zhèn)江文化旅游產業(yè)集團，江蘇 鎮(zhèn)江 212032； 2.河海大學地球科學與工程學院，江蘇 南京 211100)

0 引言

隨著科技迅速發(fā)展，高速公路建設蓬勃興起，路基設計在道路工程建設中顯得尤為重要，而高填方路基也越來越多的出現在了高速公路建設中[1]。路基的荷載來自兩部分，一部分是土體自重和路面結構重量，另一部分是行車荷載，普通路基在自身重力和行車荷載的作用下會產生沉降，隨著填方高度的提高，荷載逐步加重，路基沉降問題也就愈加嚴重。路基沉降會致使道路變形破壞、路面開裂，對于高填方路基可能會引發(fā)路基邊坡失穩(wěn)，從而導致車輛無法正常行駛給人們的生活帶來不便，也會影響道路的美觀和經濟效益[2]。因此高填方路基沉降問題研究應當引起注意。

路基沉降量由土的壓縮性決定，因此路基沉降計算是以土的固結理論為基礎發(fā)展起來的。最早由土力學奠基人太沙基(Terzaghi)對土的固結過程進行研究[3]，并在1925年首次提出了土的單向固結理論，借助此理論可以求解在一維應力條件下路基土的固結問題。后來楞德利克(Rengulic)又將太沙基的一維固結理論推廣到二維、三維[4]，由此產生了太沙基—楞德利克(Terzaghi-Rendulic)三維固結理論[5]。再后來，比奧(Biot)[6]根據有效應力原理、土的連續(xù)條件和平衡條件提出Biot固結理論，但由于難以求解，一直沒能得到廣泛應用。以上這些模型都是假定土體是飽和的情況下建立的，而實際情況并非如此。隨著計算機技術的快速發(fā)展，運用計算機軟件對施工過程進行數值模擬已經成為一種相對普遍的方法[7]。通過數值模擬可以展現工程的預期效果以及施工過程中可能出現的工程地質問題。對高填方路基進行數值模擬時，將路基填土等直接折算成填土荷載，在模擬過程中一層一層分級加載，計算其累計沉降量[8]。本文以南京濱江大道高填方吹填路基為例，利用數值模擬分析其施工過程，計算高填方路基沉降量，針對沉降量大的地方分析原因并提出合理的處理措施。

1 工程背景

擬建浦口濱江大道工程(K10+100～K12+750)位于長江北岸寬廣的長江漫灘上，長江從西南向東北方向流經場地東南側。濱江大道走向基本與長江平行。道路場地被眾多魚塘、堤防和溝渠等切割，地貌形態(tài)破碎零亂，地勢低洼處為溝、塘，地勢明顯凸起處為堤防和魚塘埂。地面標高大多在6.5 m～7.0 m，堤防堤頂高程為10.9 m～11.9 m，魚塘埂高程為6.5 m～7.0 m、魚塘底高程為4.5 m～6.0 m，魚塘水深一般0.5 m～2.0 m[9]。本段設計縱斷面設計高程為道路中心線高程，在普通路段左幅道路機動車道最高點高程為12.58 m，加上路緣石高度后，路基最高點高程為12.78 m，采用2%的單向橫坡往堤內排水；右幅道路較左幅道路低0.3 m，機動車道最高點高程為12.28 m，加上路緣石高度后，路基最高點高程為12.48 m，在交叉口段兩幅道路同高。

2 數值模型建立

本文使用Plaxis軟件對高填方路基邊坡進行坡體數值模型構建,路基設計寬度為42 m，考慮到邊界效應，設計模型寬度為140 m，高度為50 m(-30 m～20 m)，模型尺寸參數見表1，模型中各土層所在高程見表2，各土層參數見表3,計算模型見圖1。

表1 模型尺寸參數

表2 模型土層高程

表3 模型土層參數[10]

3 計算結果分析

路基坡體模型經計算后可得到變形網格圖如圖2所示，從圖2我們可以看出路基既有垂直位移(即沉降)，又有水平位移。路基的變形整體上的趨勢是兩邊小中間大，總位移極值是1.22 m。將變形的網格與施工前的網格進行對比可以發(fā)現網格變形不是很大，相比較而言，路基頂面變形最明顯，路基下方的網格也發(fā)生少量變形，而周圍兩邊網格基本沒有變形，這證明路基沉降對路基下方土層穩(wěn)定性影響較大，對兩邊土層穩(wěn)定性影響不大。

路基坡體模型施工完成后的垂直位移等值線圖如圖3所示。從圖3中可以看出，垂直位移等值線(即沉降)呈同心圓弧狀分布，在接近路基頂面中心點處達到了沉降最大值1.22 m。從路基頂面中心點向四周擴散，沉降值漸漸減小，模型最下面一層粉質黏土夾粉土下部(高程為-27 m處以下)沉降基本為0。這證明路基沉降的影響范圍是有限的，但是它對周圍土體的穩(wěn)定性會產生很大的影響。它會導致土層下沉，土體結構發(fā)生變形和破壞。

路基坡體模型施工完成后的水平位移等值線圖如圖4所示，從圖4可以看出，水平位移有兩個位移最大中心點，一個大致在點(45，0)處，該點周圍的土層向左位移，另一個中心點大致在(118，3.4)，該點周圍的土層向右位移，呈水波狀向外發(fā)射。向左位移的范圍要比向右位移的大很多。水平位移極值是-0.477 46 m，方向向左。路基邊坡的坡度為1∶3，邊坡的水平位移為-0.100 m～-0.280 m，滑動較小，因此路基邊坡是穩(wěn)定的，不會滑動。

路基坡體模型施工完成后的有效應力主應力如圖5所示。從圖5可以看出，最大有效主應力為-402.84 kN/m2，路基左右兩邊主應力方向不一樣，路基中軸線以左主應力方向為南偏西，路基中軸線以右主應力方向為北偏東，中軸線附近方向近似垂直向下，路基下方主應力線密度很大，而兩邊很疏，證明主應力主要集中在路基下方。這是因為填筑段施工時增加的荷載所致。高程越低，有效應力主應力線越長，有效應力主應力越大。

4 結語

本文通過用Plaxis軟件對南京濱江大道高填方吹填路基施工過程進行數值模擬研究，通過計算和分析可得出以下結論：1)路基在荷載剛加上時會有一個瞬時沉降，然后隨著時間增加沉降增加，直到最后漸漸趨于穩(wěn)定，這部分的沉降是路基的主要沉降；2)路基沉降量是受到原防洪堤的位置影響的，防洪堤以上部位的沉降量要小于路基其他填筑部分的沉降量，而且在防洪堤與路基填筑段的結合處垂直位移等值線出現了偏折，證明此處可能出現了應力集中現象，因此施工時應特別注意填筑段與防洪堤的結合處；3)沉降量是隨著高程增加逐漸變大的，路基頂面的沉降值為路基的最終沉降量，根據對路基坡體模型的計算與分析，路基的最終沉降量在1.2 m～1.5 m范圍內，此范圍內的沉降不影響路基正常使用，路基坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)；對于路基沉降的進一步研究，可采用實際監(jiān)測的方法進行驗證；4)路基水平位移既有向左位移，也有向右位移。一般是路基中心點左邊區(qū)域各點向左位移，右邊各點向右位移，加上垂直位移的作用，路基的變形整體是向里向下變形的。路基的水平位移極值大致在0.28 m～0.5 m范圍內位移較小，說明路基邊坡采用的護坡方法是有效的，不會發(fā)生崩塌和滑坡。