填筑高度及荷載作用下路基變形數值分析

【摘 要】施工過程中各工序的質量控制會影響路基工程的穩定性、安全性，因此必須加強施工中的質量控制，滿足設計要求。路基填筑過高及荷載過大會使路基產生沉降及水平位移，影響邊坡穩定性、安全性，為了研究路基填筑高度及荷載對路基變形的影響，通過FLAC3D軟件建立路基模型，分別進行不同條件下數值模擬，研究結果表明：路基沉降隨填筑高度和荷載的增加均呈線性關系增長，并總結得出路基沉降與填筑高度及荷載的關系式;坡肩水平位移隨填筑高度和荷載的增加均呈線性關系增長，并總結得出坡肩水平位移隨填筑高度及荷載的關系式。

【關鍵詞】FLAC3D軟件;填筑高度;荷載;路基沉降;坡肩水平位移

【中圖分類號】U416 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）10-0099-04

0 前言

隨著我國經濟的快速發展，公路道路工程日益增多，公路建設也推動了經濟的發展，交通量逐年增加，對路堤穩定性、安全性的要求也在逐步增加[1-3]。路堤填筑體沉降是在路堤填筑完成后自身重力及交通荷載作用下產生的壓密和側向變形，路堤填筑高度和交通荷載作用下會產生附加變形，主要表現為施工后沉降及不均勻沉降，導致路面結構層破壞及路堤滑坡，影響公路工程的性能和壽命[4-6]。土體沉降主要包括主固結沉降、次固結沉降、瞬時沉降，沉降分析方法主要有分層總和法、實測沉降預測法、數值模擬法[7-9]。馬林等人通過FLAC3D研究重載作用下的路基變形，得出荷載水平對路基沉降的影響程度比填土高度大[5]。宋忠平等人研究武廣客運專線路基沉降與地基處理的關系[10]。薛新華等人通過ABAQUS軟件研究高填方路堤沉降變形特性，得出了路堤沉降隨填筑高度增加而增大[11]。本文以某地鐵車站疏解路為研究背景，采用FLAC3D軟件分析路基填筑高度及荷載對路基沉降和坡肩水平位移的影響，總結得出路基沉降和坡肩水平位移與填筑高度及荷載的關系式，為本工程施工提供參考價值。

1 工程概況

1.1 工程簡介

松山湖站是東莞市城市軌道交通1號線第17座車站，位于松山湖景區新城路與沁園路交匯處西側綠島內，為地下二層雙島式站臺，呈南北向布置，與規劃3號線同臺換乘，并設置聯絡線，總長度為404.1 m，標準段寬度為49.9 m，采用明挖法施工。

新城路西側機動車道及人行道在結構施工場地，需要臨時占用，根據“占一還一”的原則，需在新城路西側新修建由北向南的交通疏解道，道路等級為城市主干路，設計車速為60 km/h，由左向右為0.5 m坡肩+3 m人行道+14 m機動車道，采用水泥混凝土路面。交通疏解道平面圖如圖1所示。

1.2 工程地質

松山湖站屬于剝蝕殘丘地貌，地表層局部可見第四紀沉積層，厚5～16 m，大部分表層出露風化殘積黏性土，地形地貌比較開闊平緩，坡度一般在10°以下，水系不發育，接近準平原化。擬建工程場地區域內人工填土廣泛分布，主要為回填的黏性土、砂土、碎石、生活垃圾等，人工填土層平均層厚度為4.13 m。

2 路基填筑質量控制

2.1 施工前準備

施工前，技術人員進行施工現場勘查、分析圖紙，編制施工計劃，選擇級配良好的礫類土、砂類土等粗粒土作為填料，配備好機械設備。對施工范圍內原地面表層草皮、樹木、腐殖土及生活垃圾等進行清理，將影響施工的附屬物及時拆除。科聚三路南北兩側各有一處魚塘，需進行抽水、清淤換填工作。測量隊對路基導線點、水準點進行放樣。

2.2 清淤換填

科聚三路北側魚塘存有積水，對交通疏解道施工影響較大，施工前須抽干魚塘內的水，清除魚塘底的淤泥，換填1 m厚碎石，分層填筑碎石，采用壓路機進行擠壓密實，再分層填筑土石方。

2.3 分層填筑

控制好填料的含水率，現場測得填料的含水率為18%，在填筑過程中分層填筑、分層碾壓，路床以下每層填筑厚度為50 cm，路床以上每層填筑厚度為30 cm。分層填筑時通過水準儀每10 m控制路基標高及縱橫向坡度，路基弧線走向時每5 m控制填筑標高，每層鋪寬超過路堤設計寬度為50 cm，以保證完工后的路堤邊緣有足夠的壓實度。

2.4 路基平整、壓實

先使用推土機、挖掘機初平，然后采用平地機進行精平，保證縱橫向坡度為2%，待填筑面平整后采用18 t振動壓路機在最佳含水率±2%時進行碾壓，碾壓時先輕后重、先慢后快、輪跡重疊，碾壓順序：直線段先碾壓路基邊緣，后碾壓路中，曲線段先碾壓內側，后碾壓外側，輪跡重疊輪寬的1/3～1/2，碾壓4～6遍，達到無漏壓、無死角，碾壓完成后經基底檢測壓實度合格后方可進行繼續填筑。

2.5 邊坡防護

按設計要求進行路堤邊坡防護，填筑高度小于3 m時直接植草防護，填筑高度大于3 m小于6 m時，采用三維網植草防護方案，邊坡坡率為1∶1.5。

施工前進行技術等相關方面的準備，施工過程中控制好每道工序質量保證路基完成質量。分層填筑壓實后試驗測得壓實度均在96%以上，路堤完成后測得填筑高度1.6 m、2 m、2.4 m、3 m、3.6 m、5 m的坡率分別為1∶2.02、1∶1.67、1∶1.76、1∶1.50、1∶1.56、1∶1.54，滿足設計要求。邊坡防護如圖2所示。

3 數值模擬分析

3.1 數值模型

FLAC3D是由Itasca公司研發的連續介質力學分析軟件，率先將連續體快速拉格朗日分析法應用于巖土工程問題上，能夠準確地模擬土質等材料的三維結構受力特性和塑性流動[12]。

根據現場實測數據及實際情況，數值模擬時路基填筑高度分別為1.6 m、2 m、2.4 m、3 m、3.6 m、5 m，坡率均為1∶1.5。根據路面折減效應及參考相關經驗[4]，荷載分別為20 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa、60 kPa。填筑高度為5 m時，數值模型如圖3所示，深色部分為路基，淺色部分為地基，路基頂面寬度為17.5 m、底面寬度為25 m，地基高度為10 m，地基寬度為35 m，沿Y軸長度為10 m。固定約束地基底面、四周位移，路基頂面不約束，模型共劃分38 000個網格單元，42 021個節點。

3.2 物理力學參數

根據地質勘探鉆孔取樣試驗得出地基物理力學參數，填筑土體及地基物理力學參數見表1。

3.3 數值模擬

分別進行不同荷載、不同填筑高度條件下路基變形數值模擬，本文只列出荷載為50 kPa，填筑高度為1.6 m、2 m、2.4 m、3 m、3.6 m、5 m時的數值模擬云圖（如圖4所示）。

由圖4分析可知，荷載不變時，隨著路基填筑高度的增加，沉降量也在逐漸增加。

3.4 填筑高度及荷載對路基沉降影響

在相同條件下分別進行其余荷載時不同填筑高度的數值模擬，通過origin軟件得出填筑高度及荷載對路基沉降的影響（如圖5所示）。

由圖5分析可知，不同荷載條件下，路基沉降量隨填筑高度增加的規律基本一致，均近似呈線性關系增長。路基沉降量與填筑高度的關系通過origin擬合可用如下線性公式表達。

S=AH+B （1）

公式（1）中，S為沉降量，mm;A和B是與荷載有關的參數;H為填筑高度，m。由路基沉降量與填筑高度數據擬合得出A和B的參數值（見表2）。

對表2中的A、B參數分別進行擬合得出其關于荷載P的公式如下。

A=0.103 8P+0.084 7 （2）

B=1.014 6P+0.178 （3）

公式（2）、公式（3）的回歸系數分別為99.91%、100%，由此可見，這兩個關系式可以很好地表達參數A和B與荷載P的關系。將公式（2）、公式（3）帶入公式（1）得到路基沉降與填筑高度及荷載的關系式。

S=（0.103 8P+0.084 7）H+1.014 6P-0.178 （4）

3.5 填筑高度及荷載對坡肩水平位移影響

總結分析數據，得出填筑高度及荷載對坡肩水平位移的影響（如圖6所示）。

由圖6分析可知，不同荷載條件下，坡肩水平位移隨填筑高度增加的變化規律基本一致，均近似呈線性關系增長。坡肩最大水平位移為23.09 mm，屬于安全可控范圍，邊坡穩定可靠。

坡肩水平位移與填筑高度的關系通過origin擬合可用如下線性公式表達。

W=CH+D （5）

公式（5）中，W為水平位移，mm;C和D是與荷載有關的參數;H為填筑高度，m。由路基沉降量與填筑高度數據擬合得出C和D的參數值（見表3）。

對表3中的C、D參數分別進行擬合得出其關于荷載P的公式如下。

C=0.068 7P-0.788 （6）

D=0.075 3P+1.13 （7）

公式（6）、公式（7）的回歸系數分別為97.63%、95.61%，由此可見，這兩個關系式可以很好地表達參數C和D與荷載P的關系。將公式（6）、公式（7）帶入公式（5）得出坡肩水平位移與填筑高度及荷載的關系式。

W=（0.068 7P-0.788）H+0.075 3P+1.13 （8）

4 結語

（1）施工前做好技術準備，選備好合適的填料，控制好含水率，施工過程中嚴格進行分層填筑、分層碾壓，待壓實度合格后再填筑下一層，并做好護坡防護，滿足設計要求。

（2）路基沉降隨填筑高度及荷載的增加均呈線性關系增長，總結出路基沉降與填筑高度及荷載的關系式。

（3）坡肩水平位移隨填筑高度及荷載的增加呈線性關系增加，總結出坡肩位移與填筑高度及荷載的關系式，坡肩位移較小，邊坡穩定性和安全性較好。

參 考 文 獻

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