基于三維數值模擬的市政路蠕變沉降分析

江宗斌

惠州市城市交通規劃所 廣東 惠州 516000

引 言

計算機的誕生促使建筑行業發生前所未有的飛躍變化。革新了傳統范疇的設計方法，引入了高效精細的計算分析方法。一些前沿的計算分析方法大量應用于市政路橋設計，至此中國橋、中國路在國際上所取得的驕人成績有目共睹。但當前的路橋設計仍然存在許多問題，比如，設計單位對市政路橋的設計仍然慣用經驗判斷，照搬成功案例，在不同地質條件下未經深入分析，保守化設計，缺乏創新度。上述問題將會造成不必要的經濟損失、增加施工難度、縮短其使用壽命等問題。一個穩定的建筑結構都需要依附在一個穩定的地質體來承載。路基隨時間的變形是導致破壞的主要影響因素之一。

由于地質體的各向異性和不可預見性為市政道路設計增加了難度，本文以惠州市大瀝片區市政工程新樂大道為例采用FLAC3D建立數值模型，從地層各參數之間的敏感性進行分析，為市政路道路設計提供技術支撐。為了更好的把握各因素在工程的作用，本分析過程采用6因素E1、 E2、μ1、 c1 、 φ1 、 h。其中E1 E2分別是強風化和中風化板巖的楊氏模量、μ1是強風化板巖的泊松比、c1是強風化板巖的粘聚力、φ1是強風化板巖的內摩擦角、h是拱頂距離地表的厚度。5水平外加一均勻設計來分析這6個因素對地表沉降的影響。

1 工程概況及模型

擬建惠州市大瀝片區市政工程新樂大道位于惠州市惠城區文頭嶺管理區，南端與規劃堤下路相交，北端與惠州大道相交，呈大致南北走向，全長約1.02km。場區原始地貌為沖積平地。南端為西枝江大堤，北端為惠州大道，中部現大部分為耕種地及魚塘。根據地質勘探揭露，地層巖性為，場地內地層自上而下為：人工填土層、第四系耕植土層、第四系沖積層、第四系殘積層。

圖1 FLAC3D三維模型

以惠州大瀝片區市政路為研究對象，采用FLAC3D 有限差分軟件建立三維數值模型，計算模型將巖土體視為連續、各向同性的力學介質。模型對側面和地面進行約束，上表面無施加約束，共16224個單元，19080個節點。力學參數見表1。本構模型采用伯格模型，伯格模型是由麥克斯韋(Maxwell)跟開爾文(Kelvin)串聯組成，如圖2所示，由于現在城市化進程迅速，城市人口聚集，交通壓力顯著增加。根據中國車輛荷載規定，路面的車輛荷載為12kPa的均布應力。但實際中由于道路設計原因，導致某條道路的交通量大小不一。不同的車輛荷載，對路基造成的壓實程度不同，所以在本模擬中采用10kPa、12kPa、14kPa三種車輛荷載水平進行模擬。

表1 蠕變本構模型力學參數

2 數值模擬結果分析

路基在經歷了相當長時期的固結，自身已經達到平衡。為了模型路基的修筑過程，同時避免應力平衡中產生塑性區，模擬之前先采用彈性準則進行土體的自重平衡，平衡完成后再進行巖土體的路基填筑再開啟蠕變進行計算。市政路的設計年限一般為20年，本模擬過程計算了路基填筑結束后20年的沉降行為。通過FLAC3D計算得到路基在不同車輛荷載作用下的蠕變曲線。為更直觀的觀察蠕變位移，選取具有代表性的路堤底部中心處一點作為觀測對象并記錄其歷史位移值，如圖3 所示。施工的過程其實就是自重平衡的過程，此階段快速完成土體固結[3]。但路基在修筑完成后并未停止，仍然以緩慢的速率繼續沉降。而且沉降速率隨著時間的推移逐漸有減緩的趨勢。三種車輛荷載下的年平均沉降為0.748mm/年、0.675mm/年、0.619mm/年。達到平衡后仍然存在緩慢移動和變形的趨勢。從圖4中可以看出，沉降區域主要集中在路基下方，沿橫向向路基兩側逐漸減小，其等值線呈橢圓下凹的形狀。根據路基的沉降規律，可以在路基的修筑過程中通過注漿、打樁、夯實等手段處理，以減少后期的蠕變沉降。除此之外，嚴格按照車輛荷載設計標準，控制市政路超負荷使用，延長市政路使用年限。

圖3 不同車輛荷載下的沉降曲線巖土體具有蠕變特性，所謂蠕變就是巖土體在各方外力作用下

圖4 不同車輛荷載水平下的豎向位移分布圖

3 結 論

本文通過有限差分軟件FLAC3D計算模擬大瀝片區市政工程新樂大道的不同車輛荷載下20年間的蠕變沉降。得出如下結論：

(1)蠕變是路基修筑過程中不可忽略的隱形位移。蠕變作用產生的位移占總位移的50%以上。施工中應該充分考慮蠕變造成的大變形，采取有效措施。

（2）車輛荷載越大所發生的蠕變沉降越大，而且隨著車輛荷載的增大，蠕變速率也增加。施工過程中可以通過注漿、打樁、夯實等手段降低蠕變作用，延長市政路使用壽命。