軟土路基沉降三維有限元模擬計算及計算精度分析

畢芬芬

摘 要：為了研究軟土路基沉降，本文以某城市快速路為研究對象，借助FLAC三維有限元計算軟件，模擬計算了軟土路基沉降，并對其計算精度進一步分析，研究結果顯示：（1）通過水泥攪拌樁處理后的復合路基段沉降值較小，小于設計沉降允許值，加固方案合理有效;（2）復合路基段的沉降分布計算較為精確，計算誤差率在10%以內的數據點分別占82.3%。

關鍵詞：城市快速路;路基沉降;計算精度;三維數值模擬

0 前言

道路路基是承受路面及車輛荷載，并傳遞至地基的關鍵部分，路基結構性能的優劣直接決定建成后路基沉降量的大小、道路行駛質量等。路基病害嚴重時可導致路基失穩，造成重大安全事故[1-3]。隨著我國國民經濟的迅猛發展，城市道路網的普及，越來越多的城市道路由于選線、建設用地等條件制約，被迫選擇在承載力較差的軟土地質區域。由于軟土具有孔隙比大、含水率高、可壓縮性大、強度低等特點，進一步突出了路基穩定性與沉降量的問題[4]。精確計算擬建城市道路的路基沉降量，并針對性地提出相應措施，是科學判斷工程可行性，合理制定設計、施工方案的重要保障[5～8]。

新澄楊線位于江陰站北側，距江陰站僅400 m。新澄楊線與大橋南路在江陰站附近形成“人字”形快速通道。本文以江陰市新澄楊線道路為例，探討三維有限元模擬計算在軟土路基沉降計算中的應用。

1 模型計算結果分析

采用理想的本構模型，樁與土均看做是均質、同性的材料。復合地基的網格劃分及樁基受力情況見圖1。

沉降計算結果見圖2。經計算可知：

（1）施工第542天（施工完成后第93天）實例工程路基段達到最大沉降，此后沉降量穩定，不再增加。

（2）主要沉降區域發生在砂墊層、①粉質粘土和②淤泥質土，沉降值為15.2 cm～27.0 cm。填土層沉降值為5.2 cm～15.3 cm;③粉質粘土沉降值為5.8 cm～10.6 cm;細砂層沉降值為0.5 cm～7.1 cm。

（3）路基沉降達到最大值出現在K3+020斷面，最大沉降值為27.0 cm。

2 計算精度驗證

在本工程施工時，結合工程設計方案布設相關監測點，對土體沉降與傾斜進行監測。復合路基段130個沉降板處的沉降計算值與實測值見圖3。復合路基段計算值為第542天，實測值為第576天。

分析圖3可知：

（1）復合路基段的實測值與計算值平均差為0.44，方差為2.15，相關性為0.942。130個測點中，誤差率小于10%的測點107個，占總數的82.3%;誤差率小于20%的測點121個，占總數的93.0%。擬合計算精度較高。

（2）總體來看，實例工程的模擬計算值分布較為平順，連續性較好，實測值分布的波動性要略高。出現該情況的原因主要為三維數模計算時，采用理想的本構模型，認為樁與土均為均質、同性的材料。同時，數據監測時的隨機、偶然性也會增加數據分布的波動性。

（3）通過水泥攪拌樁加固等方法處理后，復合路基段沉降值較小，小于設計沉降允許值。加固方式合理有效。

3 結論

為了研究軟土地區路基沉降，本文以新澄楊線為研究對象，借助FLAC三維有限元計算軟件，采用數值模擬計算了實例工程的沉降分布，研究了實例工程復合路基段的路基沉降。同時，結合實測值對比可知，數值模擬計算精度較高，能較好的反映實例工程的沉降分布特性。可見采用三維數值模擬計算來預測軟土路基的沉降分布合理可行，本文研究結論可為同類工程的計算、應用提供參考。

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