交通荷載下碎石土回填路基沉降分析

金揚國 （中鐵十六局集團第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

0 前言

碎石土作為一種經(jīng)濟、可靠的路基填筑材料被廣泛應(yīng)用于換填法中，用以提高地基承載力。徐文杰等對土石混合體概念進行了論述，認為對碎石土的研究需從土石閾值、土石強度特征、含石量及可視粒徑四個角度展開。在對含石量的研究中，王春得、寧金成等通過直剪試驗得出當(dāng)含石量增加時，碎石土抗剪強度增大，內(nèi)摩擦角也隨之增大。陳美婷通過室內(nèi)試驗與PFC模擬兩種手段，對土石混合體顆粒形狀、接觸面粗糙度與法向壓力這三種重要因素研究其對接觸面及接觸面附近土石混合體的力學(xué)特性的影響。張強從細觀結(jié)構(gòu)層次出發(fā)，運用計算機隨機模擬技術(shù)，建立了一種基于不規(guī)則塊石的土石混合體三維細觀結(jié)構(gòu)重構(gòu)方法，并基于FORTRAN語言開發(fā)了相應(yīng)的三維細觀結(jié)構(gòu)隨機模擬系統(tǒng)（RMS3D），在此基礎(chǔ)上，考慮塊石的不規(guī)則形狀，建立了土石混合體的離散元模型，并采用顆粒流程序?qū)ζ溟_展了不同法向應(yīng)力下三維直剪試驗?zāi)M，探究了塊石空間分布對其力學(xué)特性的影響。

本文結(jié)合蘇州G312與G524節(jié)點工程項目，對碎石土路基進行ABAQUS有限元數(shù)值模擬，估計了路基沉降，可為類似項目提供經(jīng)驗指導(dǎo)。

1 工程概況

蘇州G312與G524節(jié)點項目位于相城區(qū)東北部，是蘇州市域快速路網(wǎng)的一部分，服務(wù)于G312、G524兩條快速通道的交通量的快速轉(zhuǎn)換，是溝通常熟、市區(qū)、工業(yè)園區(qū)及無錫的重要節(jié)點。改造路段為春申湖路以北至G312的部分，全長1.6km，主要為G312－G524節(jié)點樞紐，G524改造標(biāo)準為高架雙向六車道，地面道路雙向六車道的一級公路。

擬換填場地下部地層自上而下為①-2填土層、①-3泥炭、淤泥質(zhì)填土層、①-4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②-2粉質(zhì)黏土層、②-3粉質(zhì)黏土夾粉砂層。其中黏土、粉質(zhì)黏土為良好的天然地基基礎(chǔ)持力層，粉質(zhì)黏土為其較好的下臥土層。由于填土層土質(zhì)不均勻，壓縮性高，工程力學(xué)性質(zhì)差，擬采用碎石土對其進行換填處理，保證路基沉降均勻穩(wěn)定。

施工工藝流程見圖1，擬換填用碎石土含石量35%，土料攤鋪采用進占法全斷面攤鋪施工，攤鋪松鋪厚度為25cm。土料卸到工作面后，及時用裝載機進行攤鋪、平整。對所上土料現(xiàn)場取樣實測含水量，控制在最優(yōu)含水率-2%～+3%之間。如果含水量偏大，則用鏵犁翻曬，如果含水量低于最佳含水量，則用灑水車補水，使含水量符合上述要求時方可開始碾壓。推平完成后，對虛鋪包芯料厚度進行檢查，不符合要求，找出原因，然后進行補料或削減，保證攤鋪寬度、厚度滿足設(shè)計要求。

圖1 施工工藝流程圖

碾壓機械為20T振動壓路機碾壓，輪印搭接不小于1/3輪寬。先靜壓2遍，然后開始振壓，碾壓第4遍結(jié)束后，開始檢測壓實度。碾壓遍數(shù)、行走速度、激振力等參數(shù)見表1。碾壓過程中要密切跟蹤施工情況，如發(fā)現(xiàn)土體中出現(xiàn)漏壓虛土層、干松土、彈簧土、剪力破壞或光面等不良現(xiàn)象，應(yīng)根據(jù)具體情況進行處理后再進行下步工序施工。土料碾壓完畢，取樣檢驗合格、驗收后才能進行下一層的填筑作業(yè)，不滿足壓實度要求的重新進行碾壓。

碾壓參數(shù) 表1

2 碎石土路基沉降分析

2.1 模型的建立與網(wǎng)格劃分

基于項目碎石填料施工過程，利用ABABQUS有限元分析軟件建立了二維模型，模型尺寸選為30（x）×13（y）。選取x軸方向為水平方向，y軸為深度方向。邊界條件設(shè)為上表面為自由平面，下表面固定水平和豎直位移。考慮到計算的精度，土體采用C3D8R單元類型。

2.2 模型參數(shù)的確定

本文將土體劃分為四層，模型采用摩爾庫倫本構(gòu)模型，各土層參數(shù)具體如表2所示。

模型各項參數(shù) 表2

2.3 數(shù)值模擬步驟

模型模擬的步驟為：

①創(chuàng)建各個部件，設(shè)置各個部件的參數(shù)并劃分網(wǎng)格；

②設(shè)置土體的單元類型（C3D8R）并賦予材料屬性；

③施加自定義荷載并設(shè)置土體的邊界條件，最后平衡地應(yīng)力；

④利用編輯好的車輛荷載子程序進行計算。交通荷載設(shè)置為550kN。

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果

本文建立模型并在其表面施加動荷載，得到了土體沉降，本模型取一半對其分析。如圖2所示。

圖2 路基沉降圖

將數(shù)據(jù)整理后，得到橫斷面沉降曲線（路基中心線橫截面坐標(biāo)為0，如圖3所示。

圖3 橫斷面位移沉降曲線

由圖3可知，在路基中心線處，沉降曲線兩端基本呈對稱分布，其中兩側(cè)車輪處的沉降值最大，車輛中心處的沉降較兩側(cè)車輪處沉降要小。換填前，土體最大沉降為13.5mm，換填后最大沉降為1.48mm，使用碎石土對填土層進行換填，能極大地改善路基沉降。

3 結(jié)論

本文結(jié)合蘇州G312與G524節(jié)點項目進行了交通荷載下碎石土回填路基沉降的有限元數(shù)值模擬，可以得出以下結(jié)論：

①路基沉降曲線兩端基本沿路基中心線呈對稱分布，其中兩側(cè)車輪處的沉降值最大，車輛中心處的沉降較兩側(cè)車輪處沉降要小；

②使用碎石土換填前，土體最大沉降為13.5mm，換填后最大沉降為1.48mm。使用碎石土對填土層進行換填，能極大地改善路基沉降。