FLAC3D模擬高填方穩(wěn)定性分析

徐廣富

北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司 北京 100082

引言

古雷某道路項(xiàng)目，位于濱海灘涂地質(zhì)。該段道路軟基具有高含水性、低密度、低強(qiáng)度、高壓縮性、低透水性和中等靈敏度的特點(diǎn)，壓縮沉降量大、排水固結(jié)慢、地基穩(wěn)定性差的特點(diǎn)。

該項(xiàng)目為橋臺(tái)后回填，規(guī)劃標(biāo)高同時(shí)也是在現(xiàn)狀地面基礎(chǔ)上回填5米獲得，在規(guī)劃標(biāo)高的基礎(chǔ)上采用了5米高路橋分界，故該段道路回填高度為10米。

由于該段路基為高填方、軟基，為分析該段路基的穩(wěn)定性，保證工程質(zhì)量安全，采用理正巖土分析軟件和、FLAC3D有限差分軟件進(jìn)行對(duì)比分析，確保該段路基穩(wěn)定安全。

1 項(xiàng)目情況簡介

漳州古雷港某道路項(xiàng)目，位于淺海灘涂區(qū)域，該段路基范圍內(nèi)的軟土較為深厚，同時(shí)部分路段下為中砂或細(xì)沙，地質(zhì)條件較差。

該區(qū)域?yàn)檠睾┩吭斓貐^(qū)域，為保證區(qū)域防洪滿足區(qū)域20年一遇標(biāo)準(zhǔn)，該區(qū)域的地勢(shì)由原標(biāo)高1米回填到規(guī)劃標(biāo)高6米。同時(shí)為跨越杜潯溪河道，滿足巡堤路凈空4.5米，采用跨線橋方案跨越該河道，該段道路路基整體回填高度為10米。

由于回填高度高、增加荷載大，該段道路的沉降分析及橫向穩(wěn)定性是該段路基的控制要點(diǎn)。

2 地質(zhì)情況分析

路基土按其成因和巖性分為：素填土①、粉質(zhì)粘土②、淤泥質(zhì)土③、粉質(zhì)粘土④、淤泥⑤、粘土⑥、中砂⑦、粉質(zhì)粘土⑧、殘積砂質(zhì)粘性土⑨、全風(fēng)化花崗巖⑩、砂礫狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖⑾、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖⑿、中風(fēng)化花崗巖⒀共十三類。影響道路工程地質(zhì)的軟弱土層為淤泥質(zhì)土③、淤泥⑤、中砂⑦等幾種，工程中應(yīng)對(duì)該幾種地質(zhì)集中分析處理。

3 地基處理方式的確定及加固機(jī)理

3.1 為充分保證地基處理的穩(wěn)定性，并控制投資規(guī)模，綜合考慮項(xiàng)目的工程地質(zhì)情況、施工工藝等因素以及參考了周邊項(xiàng)目的地基處理方案，初步擬選擇采用水泥攪拌樁進(jìn)行地基處理。

水泥土攪拌法：是以水泥為主要固化劑，通過特制的深層攪拌機(jī)械，將固化劑和地基土強(qiáng)制攪拌，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性和一定強(qiáng)度的樁體的地基處理方法。優(yōu)點(diǎn)比較明顯：就地?cái)嚢琛⒆畲笙薅壤迷?，地基土不?huì)側(cè)向擠出、對(duì)周圍建筑干擾少，樁體布置形式靈活。

3.2 水泥土攪拌法加固機(jī)理

3.2.1 水泥的水解和水化反應(yīng)

水泥中的硅酸三鈣、硅酸二鈣、鋁酸三鈣、鐵鋁酸四鈣、硫酸鈣為反應(yīng)物，與水反應(yīng)，生成一系列的化合物。生成的化合物也會(huì)參與反應(yīng)，繼續(xù)增加土體強(qiáng)度。

3.2.2 粘土顆粒與水泥水化物的作用

上述生成物繼續(xù)發(fā)生離子交換和團(tuán)?；饔谩⒂材磻?yīng)、碳酸化作用。最終被粉碎的越均勻的土體，水泥土的總體強(qiáng)度越高。

3.2.3 其他影響因素

水泥土的強(qiáng)度隨水泥用量增加而增加；隨齡期增長，持續(xù)時(shí)間約三個(gè)月；隨水泥標(biāo)號(hào)增加而增加；隨土樣含水量增加而減少；隨土中有機(jī)質(zhì)含量增加而減小，有機(jī)質(zhì)含量高的軟土，單純采用水泥的加固效果不好；部分種類的外摻劑可有效改變水泥土的強(qiáng)度、齡期強(qiáng)度增長等；較好的養(yǎng)護(hù)方法和養(yǎng)護(hù)條件，可以提高水泥土的早期強(qiáng)度。

合理確定水泥摻量、減少齡期內(nèi)擾動(dòng)、適當(dāng)選用外摻劑對(duì)水泥土強(qiáng)度有較好的幫助。

4 數(shù)值分析原理

由于數(shù)值分析的理論基礎(chǔ)較為嚴(yán)格，同時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)參數(shù)的選區(qū)有較為嚴(yán)格的要求，目前僅有少數(shù)技術(shù)人員在使用，故數(shù)值分析目前在土工中使用的不是很普遍。但是對(duì)于土木的趨勢(shì)分析，數(shù)值模擬有著不可取代的優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)值分析在準(zhǔn)備充足了基本數(shù)據(jù)后可以反復(fù)的再現(xiàn)試驗(yàn)過程、應(yīng)力、應(yīng)變過程，可以在沒有污染、沒有安全問題、花費(fèi)較少成本的條件下由計(jì)算機(jī)反復(fù)模擬現(xiàn)場(chǎng)問題。

FLAC/FLAC3D作為一款優(yōu)秀的巖土專用分析軟件，具有十二種巖土本構(gòu)模型、八種蠕變模型、三種流體、兩種熱力學(xué)模型。可以進(jìn)行靜力、動(dòng)力、溫度、滲流的耦合計(jì)算，可以模擬較為復(fù)雜的工程力學(xué)行為。同時(shí)FLAC3D的大變形的計(jì)算能力也較為突出,故選用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值分析是較為合適的。

數(shù)值分析同時(shí)可以形象有效的揭示地基處理變化規(guī)律，揭示地基加固效果和整體效果。同時(shí)由于該段回填高度較高，工程經(jīng)驗(yàn)不充足，也為更好的控制工程質(zhì)量，了解工程變化規(guī)律，也為更加有效的了解水泥攪拌樁加固后地基在受力、沉降、整體穩(wěn)定性等方面發(fā)生的變化，分析土體整體變化發(fā)展的狀態(tài)，了解整個(gè)土體的受力狀態(tài)，因此對(duì)該段進(jìn)行數(shù)值分析。

4 水泥攪拌樁參數(shù)確定

4.1 水泥攪拌樁擬施工工藝分析：步驟1：場(chǎng)平，場(chǎng)地由標(biāo)高1米回填至6米，并適度碾壓；步驟2：場(chǎng)平結(jié)束后進(jìn)行水泥攪拌樁施工，按照平面間距1米，三角形布置的方式，樁徑采用0.6米；步驟3：回填樁頂0.6米砂墊層；步驟4：回填砂墊層頂面4米路基路面。

水泥攪拌樁的樁頂回填厚度為5米，考慮車輛荷載后，復(fù)合地基承載力需要達(dá)到120KPa才可以滿足本項(xiàng)目使用。

本項(xiàng)目為城市主干路，一般路段沉降要求≤0.3m，橋臺(tái)后控制≤0.1m，工后差異沉降控制在2%。同時(shí)該段為軟基路段的填方路基，需要進(jìn)行穩(wěn)定性分析，需滿足穩(wěn)定性安全系數(shù)1.35。

4.2 水泥攪拌樁參數(shù)確定、結(jié)果分析

（1）樁徑、樁間距、樁長

根據(jù)項(xiàng)目需要、規(guī)范要求、工程經(jīng)驗(yàn)等因素初步擬定樁徑0.6米。由于樁周土的力學(xué)性質(zhì)很差，擬定采用樁間距1.0米的三角形布置。由于該處地基情況很差，海淤嚴(yán)重，地下情況復(fù)雜，樁端要求進(jìn)入持力層最小深度1.0米，根據(jù)該原則，兩側(cè)橋臺(tái)處水泥攪拌樁長度分別為17米和10米，裝訂褥墊層采用0.6米后砂礫墊層。

（2）承載力分析

采用理正設(shè)計(jì)軟件對(duì)單樁承載力、復(fù)合地基承載力（≥120KPa）、工后沉降（3cm）、整體沉降（40cm）、軟弱下臥層（最下面分層附加應(yīng)力與自重應(yīng)力之比 = 14.89% ≤15%）進(jìn)行了復(fù)核，均能夠滿足使用要求。

（3）整體穩(wěn)定性分析

為保證回填路基的整體穩(wěn)定性，對(duì)路基的橫向穩(wěn)定性分析，計(jì)算結(jié)果為1.43，滿足規(guī)范要求。

4.3 數(shù)值分析

（1）模型分析

本次數(shù)值分析主要模擬道路回填狀態(tài)下的現(xiàn)狀土的變形狀態(tài)，故對(duì)于回填土采用各向同性線彈性模型elastic模擬；對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)狀土，采用Mohr-Coulomb模型進(jìn)行模擬。

（2）工況模擬

分析選取橋頭兩側(cè)的回填斷面，詳見斷面圖。

本次數(shù)值分析的重點(diǎn)是水泥攪拌樁整體加固效果，對(duì)路基采用提高土基系數(shù)整體分析的方式來模擬水泥攪拌樁施工效果。

道路路基寬度41米，第二層臺(tái)階高度5米，放坡采用1:1.5，路基兩側(cè)各模擬30米。

數(shù)值模擬采用對(duì)稱方式建立模型，路基寬20米，回填臺(tái)階采用100米，深度50米。

直接回填的路基形式

考慮反壓護(hù)道回填的路基形式

（3）主要參數(shù)計(jì)算

本次設(shè)計(jì)主要分析現(xiàn)狀路基處的變形規(guī)律，故對(duì)模型進(jìn)行了部分簡化模擬，對(duì)于回填區(qū)采用彈性模型，對(duì)現(xiàn)狀路基采用摩爾-庫倫模型。

材料本構(gòu)模型選取表

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)研究成果，對(duì)于經(jīng)過水泥攪拌樁加固的軟土，將軟土強(qiáng)度提高為原來的2倍左右，也就是將承載力提高到100～120KPa左右。經(jīng)過調(diào)整，程序中使用的各土層的參數(shù)如下

?

本次計(jì)算分析，對(duì)于采用水泥攪拌樁加固過的路基認(rèn)為是初始狀態(tài)穩(wěn)定，然后分別模擬了如下幾種工況：

①路基不經(jīng)過水泥攪拌樁處理、周邊不進(jìn)行反壓處理進(jìn)行回填，數(shù)值分析結(jié)果是路基很快進(jìn)入流變狀態(tài)，超過了軟件的分析范圍。

在不考慮填筑路基變形的條件下，填筑4-6米時(shí)開始失穩(wěn)。

路基位移圖

②路基采用水泥攪拌樁處理、周邊不進(jìn)行反壓處理進(jìn)行回填，數(shù)值分析結(jié)果是填筑到6-8米時(shí)路基開始了較大的變形，接近于失穩(wěn)狀態(tài)。

路基位移圖

③路基不采用水泥攪拌樁處理僅進(jìn)行路基兩側(cè)預(yù)壓進(jìn)行回填，數(shù)值模擬的結(jié)果是路基豎向的變形較大，對(duì)路基的穩(wěn)定非常不利。

分析時(shí)由于忽略了原地面回填的5米荷載，故分析的結(jié)果偏于危險(xiǎn) ，實(shí)際該段路基不進(jìn)行攪拌樁處理，初始場(chǎng)平工作都不可能順利完成。

路基位移圖

④路基采用水泥攪拌樁處理、周邊不進(jìn)行反壓處理進(jìn)行回填，數(shù)值分析結(jié)果是路基比較穩(wěn)定，路基處于較好的工作狀態(tài)。

路基位移圖

5 結(jié)論與展望

5.1 結(jié)論

①采用理正巖土分析軟件獲得的結(jié)論與使用FLAC3D獲得的結(jié)果基本吻合，兩種軟件都較為可靠的提供了工程決策的依據(jù)。

采用FLAC3D軟件獲得的分析結(jié)果更加形象、直觀，展示了巖土變化的規(guī)律，有助于加深工程理解。

②數(shù)值分析過程中同樣分析了X、Y、Z方向的單向位移影響，最大、最小應(yīng)力等多種受力狀態(tài)等，都表現(xiàn)出了同樣的趨勢(shì)，本次的模擬是較為成功的。

采用數(shù)值分析對(duì)于更加形象的揭示路基運(yùn)動(dòng)、滑動(dòng)趨勢(shì)，理解路基的變形均有非常積極的意義。

③數(shù)值分析成本較低，可以多次反復(fù)的重現(xiàn)工程過程，對(duì)于多方案、多工況比選作用明顯。在已處理軟基段，通過以上的設(shè)計(jì)以及技術(shù)控制，再對(duì)路基路面的觀測(cè)以及對(duì)沉降觀測(cè)結(jié)果的分析表明，水泥攪拌樁對(duì)該段路基的處理是成功的。

5.2 展望

①由于篇幅限制，對(duì)于本次模擬、計(jì)算過程中的多處環(huán)節(jié)進(jìn)行了省略。

②由于工地、試驗(yàn)等條件限制，本次數(shù)值模擬采用了最簡單的彈性、摩爾-庫倫模型，實(shí)際上本次分析的土質(zhì)可以考慮多種模型組合，例如粘塑性模型、修正劍橋模型等其他的優(yōu)秀彈、塑性模型等，更加合理的模擬工程變化的規(guī)律。