片石軟基處理下涵洞應力位移特性數值分析★

羅克文 張 潭 蔡宇鵬 陳 佳

(1.廣西壯族自治區玉林公路發展中心，廣西 玉林 537000； 2.長沙理工大學交通運輸工程學院，湖南 長沙 410114)

0 引言

為減少公路工程對環境的不利影響，以及方便自身排水設計的要求，結構物所占據的比例越來越大。而在軟土上修建涵洞，易發生不均勻沉降，導致涵洞橫向開裂破壞甚至大角度傾斜，并且在深厚的軟基地帶，涵洞沉降難以預料，嚴重時使涵洞沉入地下而無法過水，產生廢涵，軟土地基處理是影響公路工程建設質量的關鍵。采用片石對軟土地基進行處理加固是工程中常用的一種方法，如拋石擠淤法。王艷芳等[1]通過現場檢測及監測，以及進行室內離心模型試驗，表明拋石擠淤法可提高路基強度。任志彬[2]提出拋石擠淤法能夠成功應用于流塑狀高靈敏度的淤泥軟土等特殊地質條件。姜景山[3]深入研究拋石擠淤法的加固機理，對拋石擠淤法處治軟土地基后的路基應力狀態進行分析。蘇春暉[4]提出了在片石夯壓加固法的影響范圍內，軟土地基承載力滿足設計要求。蒲文明[5]提出了通過壓填片石技術加固軟土地基，提高路堤穩定性的加固技術。鄭俊杰等[6]通過分析高填方涵洞應力特征，提出了確定涵洞地基承載力容許值的方法。康佐等[7]通過離心模擬試驗對涵洞工程填筑體的應力狀態進行模擬，分析涵洞結構的破壞機理。陳保國等[8]通過分析高填方剛性涵洞的地基承載力，探討涵洞地基承載力受到軟土固結、埋深與寬度效應的影響。鄭俊杰等[9]通過對高填方涵洞應力狀態進行數值模擬，分析高填方涵洞豎向壓力的分布特征和變化規律。劉保健等[10]對涵洞方法工程的地基承載力與基礎的設計提出了新建議。上述專家作者大多數提出了軟基處治方法，以及通過數值模擬的方法對涵洞的應力狀態進行分析。本文為了能夠更好地研究片石軟基處理下涵洞應力特性，以某高速公路的實際情況為背景，采用數值模擬的方法對片石軟基處理下涵洞應力位移規律進行探究,分析片石處治后軟土地基沉降與涵洞受力特性。

1 片石軟基處理

1.1 拋石擠淤原理

拋石擠淤是指通過利用專用的施工機械設備將具有一定規格、材質較為堅硬、外觀與力學性都能夠滿足公路工程建設設計要求的片石材料，從一定高度將片石材料拋投至含水率極高的淤泥軟土地基上，使得片石能夠將淤泥質軟土擠出并且占據其位置。殘余淤泥能夠較好地將片石粘結在一起，形成以片石為承重的填筑體，從而提高地基承載力，減小沉降，提高土體的穩定性。采用分層拋填碾壓法進行拋石擠淤施工，使淤泥質土結構發生整體剪切破壞，在碾壓過程中使得拋填片石材料重新進行排列組合，形成新的結構層。并且這種施工方法無需抽水挖淤，淤泥中的水從片石之間的縫隙排出，使得軟土地基中的超孔隙水壓力逐漸減小，有效應力逐漸增大，加速軟土地基固結，增加軟土地基的結構強度，提高軟土地基整體穩定性。

1.2 施工要求

進行拋石擠淤施工時宜采用不易風化的片石材料。在較為平坦的軟土層，應沿路中線向前拋填片石，逐漸向兩側延伸。在易于流動的泥炭或淤泥軟土地質條件，應采用粒徑不小于30 cm的片石，采用粒徑小于30 cm的片石含量不得超過20%。在軟土層橫坡坡度陡于1∶10進行拋石擠淤施工時，應從高側往低側進行拋投，在低側邊緣位置多拋投片石材料，使得在低側邊緣位置填筑起寬度約為2 m的平臺頂面。當拋投的片石露出軟土層表面，對其拋投片石產生的空隙宜采用較小的石塊進行填塞墊平，使用重型機械進行碾壓，然后在其上設置反濾層，再進行填筑。

2 模型及參數

2.1 模型建立

本節針對圓管涵破壞情況進行數值模擬，結合實際加載情況對圓管涵的受力狀況進行模擬，模擬部分以路堤的中心線為準為對稱的結構，現取其中的一半為研究對象對其進行數值模擬。空間坐標系的建立，坐標原點、X軸、Y軸、Z軸的方向分別設定如下，坐標系原點坐標O(0，0，0)設置在圓管涵的基礎線和中心線的交點處，X軸的正方向為右、Z軸的正方向為豎直向上，垂直于分析平面的方向為Y軸方向。

在進行圓管涵現場實際模擬時，其尺寸取值為從路堤中心線取到路堤以外80 m，即路堤的坡腳沿著垂直于路基方向取50 m，圓管涵外徑為1.5 m，圓管涵的壁厚為0.1 m，圓管涵的涵頂填土高度為8.7 m，劃分網格4 491個單元。模型分析示意如圖1所示。

網格建立以后，首先設置邊界條件。在該模型中，邊界節點的速度限制，相當于在邊界兩側的邊界值受到限制。而模型中存在的零模型在模擬過程中，初始應力的計算和節點的位移和速度被清除，利用彈性求解的方法不能得到初始應力，因此，它是用來解決彈性和塑性的。本例中路基高度為8.7 m，高度方向共劃分了7(9)個單元。

2.2 模型參數

當在軟土上建設涵洞等構造物時，均會發生沉降和側向變形，此類沉降、變形必須控制在規范要求之內。且地基處理效果直接影響到涵洞的受力狀態。采用 FLAC3D有限差分軟件對軟基沉降以及涵洞受力狀態進行分析。模型中采用的各參數見表1。

表1 各材料模型參數

3 計算結果分析

3.1 豎向位移

圓管涵修筑于軟土地基上，當軟土地基發生沉降時會導致軟土地基與圓管涵的協同受力現象，軟土地基的沉降是否均勻，將會直接導致圓管涵產生應力集中與應力分散。所以本節將根據工程現場實際加載情況通過數值模擬的方法對圓管涵的受力狀況及觀測點受力大小進行分析研究，分析圓管涵破壞的原因。

工程現場采取了等速較快的加載模式，因此，進行數值模擬計算采用等速較快的加載模式，等速加載的加載速率為0.5 m/d。對此，根據工程現場實際情況對模擬對象進行分析，如圖2所示。

通過加載過程圖可以看出，圓管涵側的軟土地基沉降發生于路堤的表面，因為此時加載高度小，也就是其上作用的荷載比較小，沉降發生在地基表面。圓管涵的存在對其周圍土體產生了應力分散，減小了圓管涵其周圍土體的沉降，但由于此原因造成了周圍土體對圓管涵的應力集中現象，導致圓管涵承受的荷載增大。

3.2 側向位移

對于圓管涵側向位移圖分析，圖3為涵側軟土地基在涵頂填土高度為8.7 m時軟土地基路堤的側向位移圖。

由圖3可見，軟土地基的側向位移由路堤的坡腳處垂直向下延伸，在軟土地基內部的側向位移將隨深度增大而逐漸增大，但到達了一定深度之后，隨深度的增加而減小。

3.3 垂直土壓力分布

數值模擬針時對圓管涵上的應力觀測點的垂直土壓力進行分析，圓管涵各應力觀測點的位置如圖4所示。

通過數值模擬軟件對工程現場圓管涵實際加載過程進行模擬，對圓管涵其上各應力觀測點所承受的垂直土壓力進行分析。發現在加載過程中，圓管涵受到了附加應力，且在圓管涵上出現應力集中現象。當應力集中導致圓管涵的破壞后，圓管涵隨加載高度繼續增大其應力出現了重新分布現象。此現象是經過應力觀測點1～觀測點6獲得的反應。三維數值模擬中圓管涵各應力觀測點隨加載高度的增加其垂直土壓力分布如圖5所示。

由圖5可見，應力觀測點1與應力觀測點3處的垂直土壓力在三維數值模擬過程中其模擬值對稱分布，受力大小及受力狀況一致，圓管涵其上附加土應力現象表現的十分顯著；應力觀測點4與應力觀測點6處在加載(軟件運行到3e5STEP)時圓管涵中部的側面，即應力觀測點6出現了應力集中現象，其數值模擬出來的垂直土壓力值特別大，但在第四層加載后出現了模擬的垂直土壓力突然減小，隨著加載高度的增大又繼續增大的過程。這時垂直土壓力在圓管涵上出現了重新分布的現象。在加載過程中應力值出現了突變，說明此時圓管涵已發生了破壞。

4 結論

基于有限差分軟件對片石處理軟基下的地基沉降及涵洞應力狀態進行分析，得出如下結論：

1)加載高度較小時，經片石處理后的軟土地基沉降主要發生于地基表面。當加載到一定高度后，由于圓管涵對土體的應力分散作用，使得土體最大側向位移距離軟土地基地表面具有一定的深度。

2)由于圓管涵與上部回填土、軟土地基之間彈性模量差異過大，圓管涵自身所承受上部荷載增大，其周圍土體出現應力分散現象，從而降低其周圍軟土地基的沉降。

3)圓管涵在其加載過程中受到了應力集中現象，當應力突變導致了圓管涵的破壞后，圓管涵其上加載高度繼續增大其應力出現了重新分布現象。