高寒地區高填方路基不均勻沉降數值模擬分析及質量控制

張麗娜

(黑龍江省龍建路橋第六工程有限公司，黑龍江 哈爾濱 150009)

1 工程概況

鶴大高速佳木斯過境段工程起于黑龍江省佳木斯市北岸萬慶屯北約3 km處，路線延西南向布設，在連慶屯西側轉向南行，跨越京撫公路后設置松花江特大橋跨越松花江，過江后在黑通村東側轉向東南，跨越哈同公路后，下穿哈佳客專，在三連村東南與哈同高速(哈同高速樁號K330+250)銜接后繼續延東南向布線，在草帽村北接終點鶴大高速，路線全長25.239 km。本地區為高緯度高寒區，季節凍土標準凍深為2.20 m，路基多為高填方施工，全線平均填筑高度2.0～12.0 m。

2 沉降機理研究

填筑路基在受荷載應力的作用下延垂直方向發生形變位移稱為沉降，沉降過程主要分為以下四個階段：(1)當上部荷載作用在路基填料時，如果土體顆粒之間的粒間引力小于上部荷載，則土體的穩定狀態將被打破，骨架結構將重新排布，直至上部荷載與土體顆粒間引力平衡，這一過程中對路基沉降影響最大，使填土顆粒也變得更加密實。(2)路基填料中多包含棱角較為分明的固體顆粒，造成顆粒之間存在空隙，在自重荷載的作用下，顆粒之間碰撞摩擦，造成顆粒棱角破碎，隨之細小顆粒填充至原有空隙中，引起沉降形變。(3)受荷載力的影響，路基填料中存在微小的彈性形變，也會引起細微的沉降。(4)本工程地處高寒地區，土體結構受溫度變化影響較大，對高填方路基沉降的擾動也更為突出，寒冷條件下水分固化成冰引起路基的體積凍脹，溫度升高后更容易引發路基整體的不均勻沉降。

3 有限元模擬分析

選取有限元分析軟件ANSYS對高寒地區高填方路基不均勻沉降進行數值模擬，分析不同填筑高度荷載作用下的沉降規律。

3.1 基本假定

假定(1)填筑材料為各向同性；(2)大氣溫度時刻處于恒溫，土體凍結前溫度為15 ℃；(3)不考慮水分遷移對填筑體積的影響；(4)模型的體積變化可對非彈性形變產生影響；(5)模型的塑性勢是非關聯的。

3.2 模型建立

本次分析模擬中路基寬度設定為26 m，坡度比設定為1∶1.5，結合工程實際選取土：石為70∶30的碎石土為填筑材料，其物理性質如表1所示，根據有限元計算要求進行網格劃分，根據勘察報告對原地基的物理力學參數設定如表2所示，水平邊界設定足夠大，對路基底面和填筑材料只做垂直方向的位移，其他方向均作約束，僅選取路基的一半建立二維有限元模型如圖1所示。

表1 碎石土的物理力學參數

表2 原地基的物理力學參數

圖1 高填方路基有限元模型

3.3 有限元模擬分析

結合本工程平均填高范圍為2.0～12.0 m，分別選取填筑高度為2 m、4m、6 m、8 m、10 m、12 m進行模擬分析，各個高度的沉降模擬情況如圖2所示。

圖2 路基不同填筑高度沉降有限元模擬云圖

根據有限元模擬路基不同填筑高度的沉降云圖獲得沉降結果如表3所示，路基填筑高度與沉降數值的關系如圖3所示。由此可知，路基的上部荷載是影響路基沉降量的主要因素，荷載量越大，沉降變化越明顯。隨著填筑高度的不斷增高，自重荷載也隨之變大，自重荷載與沉降數值有明顯非線性增大的趨勢。

表3 路基不同填筑高度沉降數值結果

圖3 沉降數值隨路基填筑高度變化圖

4 質量控制方法

(1)對高填方路段編制專項施工方案，結合工程特點選取合適的填筑方法，合理調配人員、機械，任用經驗豐富的技術人員作為現場負責人，在施工過程中做到井然有序。

(2)施工前，路基的臨時排水工作不容忽視，需做到設計合理、施工方法得當，防止地表水侵泡路基。

(3)為防止垃圾、浮土、樹根等因素對路基強度和穩定性的影響，應嚴格控制施工清表工作，并對原有路基做到充分壓實和排水。

(4)按照設計要求對填料土石比、原材的篩選嚴格控制，充分發揮優良材料對高填方路基穩定性有利的作用，保證填筑材料性質相同，優先使用抗凍脹、干密度大、物性穩定、有利于提高低級承載力的填筑材料。

(5)嚴格遵守規范施工工藝流程施工，按照設計厚度要求進行分層填筑壓實，保證各層壓實度滿足設計要求，同時做到每層路基填筑完成后表面平整、銜接得當，嚴格遵守質量驗收標準進行分層驗收，驗收合格后再進行下一步施工。

(6)含水率也是影響高填方路段重要指標之一，在嚴格控制路基含水率的同時應實時關注天氣變化和施工環境的濕度指標。時刻保證高填方路段的含水率在最佳范圍內。

(7)填筑過程中需采用大噸位壓路機對路基進行震動碾壓，監測和實驗過程中如發現任何指數不達標需及時補救，如情況較為嚴重需進行返工處理。

5 結 論

本文通過對地處高寒地區的鶴大高速佳木斯過境段工程高填方路基結構形變展開研究，總結了路基各個階段的不均勻沉降機理；運用有限元分析軟件ANSYS建立模型分別對不同填筑高度的沉降進行模擬并提出了一套高填方路基的質量控制方法，主要得出以下結論。

(1)填筑材料的粒間引力、分子之間的空隙、彈性形變以及水分子的固液轉換都是影響路基發生沉降的因素，而填筑土體之間的粒間引力與上部荷載的關系是影響沉降最主要的因素；(2)路基填筑高度的不斷增高使自身荷載不斷增大，路基沉降量也會隨之不斷增大；(3)合理施工控制方法和嚴格的質量檢驗措施可有效控制路基發生不均勻沉降。