? 考虑软土地基固结沉降的填砂路堤变形特性分析罗 婧， 申 莉 (四川交通职业技术学院， 四川 成都 611130) [摘 要] 通过有限元法建立考虑地基软土固结沉降的填砂路堤变形分析模型，研究了软土地基上填砂路堤的变形规律。通过分析计算对填砂路堤的竖向变形、侧向变形、基底竖向应力分布规律的特性进行研究，得到了填砂路堤的侧向变形、竖向变形的分布规律与影响因素，并讨论变形对各参数的敏感性。 [关键词] 填砂路堤； 变形特性； 固结沉降； 有限元法 0 前言填砂路堤的过量变形以不均匀沉降和工后沉降为主，是地基和路堤沉降和压缩变形的空间差异在路堤顶面的反映，这些变形包括道路纵向不均匀沉降、横向不均匀沉降和工后沉降。填砂路堤过大的变形主要来源于路堤自身的变形与地基的沉降变形[1-6]。 当填砂路堤横断面上存在自重荷载的变化，导致路堤自身压缩变形和地基固结变形产生的沉降在横断面上分布不均。当地基为斜坡地形时，横断面上也会存在由于填方高度的不同而产生的不均匀沉降。这种不均匀沉降在路堤较高或者地基软弱时比较突出，反映到路面结构上，可导致路面结构的损坏。 1 填砂路堤变形破坏标准探讨填砂路堤因填料为天然砂，其渗透系数大，堤身自身的固结沉降可迅速完成，故其变形主要表现为自重作用下堤身自身的压缩变形及地基在柔性路堤荷载作用下的压密沉陷，对于软土地基上的填砂路堤，应考虑地基固结沉降过程的影响。 另一方面，如果在填砂路堤表面发生不均匀沉降超出一定范围，其上的路面结构中会产生较大的附加力学响应，从而导致路面结构裂缝、路面断板等早期破坏现象，使道路的路面使用性能下降，道路的使用寿命也会大幅缩减。 因此，填砂路堤的变形破坏标准应从如下几方面综合考虑： ① 路堤的稳定性是所有路堤设计都须考虑的问题，填砂路堤也不例外，必须在确保其稳定性的前提下方可进行填砂路堤变形之分析。前文应用极限平衡法对填砂路堤进行的稳定性计算初步成果已表明在最危险方案条件下，填砂路堤的稳定性能满足相关设计要求。 ② 通常路堤的整体沉降不十分显著时，可忽略整体沉降对路面结构产生的影响。关于路基沉降的限值，可参考现行路基设计规范。 ③ 路堤不均匀沉降会导致路面结构出现附加不利力学响应，且路面结构附加应力与路基不均匀沉降量表现为近线性关系，但在给定的路面结构与材料前提下，路基不均匀沉降的限值可通过条件：路基不均匀沉陷引起的附加应力+轮载作用引起的荷载应力<>[7-10]。 从总体上看，填砂路堤应在保证其稳定性的前提下，采取各种措施控制填砂路堤不产生过大的整体变形，同时控制路堤顶面的不均匀沉降。 2 分析模型本文取软土地基上填砂路堤的基本计算模型如图1所示。荷载主要来自路堤本身的自重，地基宽度取为50 m，深度为12 m，边坡坡度为1∶1，路堤填土高度为6 m。考虑到对称性，取1/2结构进行分析。其中路基顶宽为32/2=16 m。假定路基与地基的界面，包边土与路基、地基的界面均良好连接。  (a) 无包边土 (b) 有包边土 图1 填砂路堤变形计算分析模型 Figure 1 Sand filling embankment deformation analysis model 计算分析采用荷兰土工平面有限元软件Plaxis，该软件由Technical University of Delft研发，可进行平面应变和轴对称两类问题的求解，尤其适合于变形与稳定计算，已在国内外得到广泛的成功应用。 采用15节点三角形单元离散模型，选用Mohr-Coulomb材料模式，给出了填砂、地基及包边土的计算分析参数。重度γ，粘聚力c和内摩擦角φ取值与稳定性分析相同，即采用表1所列参数。计算参数均通过室内试验与现场试验段的测试获取。 模型取半结构，路基顶宽为33.5/2=16.75 m，模型的左，右边界为水平向约束，底侧为竖直向、水平向均约束，初始应力按照K0方式生成，K0=1-sinφ，φ为地基的内摩擦角，然后模拟路基的分步分层填筑(staged construction)，从底层起，每步填高均为50 cm，如有包边土，则假定包边土与填砂部分同时在该步填筑完毕，同时假定包边土与填砂，地基等各接触面均良好连接。  表1 变形计算分析参数Table1 Deformationcalculationanalysisparameters结构层位杨氏模量E/MPa泊松比μ重度γ/(kN·m-3)粘聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)填砂200.3018.17136.4地基150.35203030.0包边土200.35203030.0 3 分析结果与讨论3.1 填砂路堤变形特性 表2为不同路基填筑方案。在有包边土时填砂路堤不同填高的情况下路堤变形如图2所示。  表2 路基填筑方案Table2 Subgradefillingprograms分析工况路基高度/m路基边坡坡比包边土情况ABC61∶1.751∶1.5 1∶2 无包边土D4E8F5G71∶1.75无包边土HIJ61∶1.75有平行四边形形状包边土,厚度为3m有平行四边形形状包边土,厚度为2m有平行四边形形状包边土,厚度为1m 由分析结果可知：软土地基上的填砂路堤在自重的作用下，路堤本身与地基产生变形，路堤顶面会形成沉降盆。路堤下的地基是压密沉降变形集中的区域，在远离路堤处，地基变形较小，在离开路堤坡脚一定位置处，地表出现轻微的隆起。下面分别研究地基顶面竖向应力、路堤竖向变形、路堤侧向变形的分布规律。 分析不同方案条件下的路堤变形，路堤顶面中心沉降与路堤坡脚处地基表面水平位移数值大小如表3所示。 对比方案B，A，C，可知将路堤边坡放缓，路堤坡脚处地基表面的水平位移略增加，路堤中心线处路堤顶面的竖向位移略减小，但改变幅度甚小；对比方案D，F，A，G，E，可知随着路堤高度的增加，路堤坡脚处地基表面的水平位移增加，路堤中心线处路堤顶面的竖向位移亦增加，且后者增加的幅度非常显著；对比方案A，J，I，H，可知随着包边土厚度的增加，路堤坡脚处地基表面的水平位移略增加，路堤中心线处路堤顶面的竖向位移略增加，但改变幅度甚小。以上分析表明，以本研究中所选取的计算分析参数来看，将路堤边坡放缓、设置包边土等对填砂路堤的变形影响甚小，而路堤高度的变化对填砂路堤变形影响较大，尤其是显著影响其竖向沉降。对于较高填高的填砂路堤，需高度重视因路基的过大沉降，尤其是不均匀沉降对其上路面结构的影响。  (a) 填高1 m变形示意(放大200倍)  (b) 填高2 m变形示意(放大200倍)  (c) 填高3 m变形示意(放大100倍)  (d) 填高4 m变形示意(放大50倍)  (e) 填高5 m变形示意(放大50倍)  (f) 填高6 m变形示意(放大50倍) 图2 不同方案路堤变形示意图 Figure 2 Schematic of different options embankment deformation  表3 重要部位的关键位移指标值Table3 Thekeyindicatorsimportantpartsofthevalueofdisplacementmm计算分析方案路堤中心处路堤顶面的竖向位移路堤坡脚处地基表面的水平位移A-106.595-10.158B-106.650-9.889C-106.507-10.393D-64.198-4.830E-155.878-16.316F-84.541-7.351G-130.370-13.161H-106.682-10.937I-106.645-10.777J-106.615-10.536 3.2 地基顶面竖向应力分布规律 地基顶面的应力分布不均匀性是造成路堤不均匀沉降的重要原因，图3为填砂路堤的堤底附近软土地基竖向应力分布曲线。从图中可以看出：地基顶面竖向应力成盆状分布，靠近路堤中央位置的竖向应力远远大于路堤边缘位置，竖向应力分布的不均匀导致对地基土体不均匀的压缩量，从而使路堤顶面容易产生不均匀沉降，随着路堤填筑高度的增加，竖向应力分布的不均匀性也越发突出，路堤中心与边缘的竖向应力差异也越大。 图3 路堤底部竖向应力分布曲线 3.3 填砂路堤竖向变形规律 路堤顶面竖向变形的不均匀性使路基发生不均匀沉降，路基的不均匀沉降导致路面结构中出现过高的附加应力，是导致路面结构破坏的主要原因。图4和图5分别为路堤竖向位移云图与总位移云图，图6为路堤顶面竖向位移分布曲线。 图4 竖向位移云图 图5 总位移云图 图6 路堤顶面竖向变形 由路堤顶面竖向变形分布曲线可知，在填砂路堤顶面分布不均匀，在路堤中央与路堤边缘会产生差异沉降，差异沉降随着填高的增加而增加。差异沉降除了与填高有关，也与地基土体模量、填料模量有关。分析不同地基土体模量取不同值时路堤顶面差异沉降如图7所示。 图7 路堤顶面竖向变形 由图7可知：填砂路堤顶面不均匀沉降的大小与地基土体模量有关，地基土体的模量越大，则路堤顶面不均匀沉降越小，因此，对地基进行处理，提高地基土体模量是减小填砂路堤顶面不均匀沉降的有效途径。同时，不均匀沉降与填料的模量大小也有关系，填料的模量越大，则不均匀沉降越小，说明做好填料的压实，提高填料的模量也是减小填砂路堤顶面不均匀沉降的有效途径。 3.4 填砂路堤侧向变形规律 填砂路堤侧向位移云图如图8所示，从图中可以看出，最大侧向位移发生于填砂路堤边坡坡脚位置一定深度的地基土体内部。坡脚位置侧向位移沿深度的分布曲线如图9所示。 路堤坡脚的水平位移是填砂路堤施工控制的重要指标，坡脚点的水平位移主要与地基土体的模量有关，坡脚点的水平位移与地基土体的模量之间的变化关系如图10所示。 由图中可知，填砂路堤坡脚水平位移与地基土体模量与填砂填料模量有关，地基土体模量越高，填砂模量越高，则坡脚水平位移越小，因此，做好地基的处理，同时保证填料的压实质量，可以有效的减小路堤坡脚位置的水平位移。 图8 路堤水平位移云图 图9 地基水平侧向位移沿地基深度方向分布 图10 路堤坡脚水平位移与地基土体模量的关系 4 结语① 路基填筑完毕后，在路堤自重作用下，堤身及地基将产生压密沉降，路基顶面形成沉降盆，路堤下的地基是压密沉降变形集中的区域，在远离路堤处，地基变形较小，在离开路堤坡脚一定位置处，地表出现轻微的隆起。路堤顶面会产生一定程度的差异沉降，路堤坡脚处地基的水平侧向位移较大值出现于地基中部稍靠上位置。 ② 对软土地基上的填砂路堤而言，路堤边坡坡度、包边土层等对填砂路堤的变形影响较小，而路堤高度对填砂路堤的影响较大，尤其是会显著影响路堤顶面竖向沉降，同时随着填高的增加，会使路堤顶面差异沉降增加。 ③ 填砂路堤顶面竖向变形大小，以及不均匀沉降的大小除了与路堤填高有关，也与地基土体的模量与填砂的模量有关，对地基进行处理，同时保证填料的压实效果，可以有效的减小路堤顶面的整体沉降与不均匀沉降。 ④ 路堤坡脚位置的水平位移与路堤填高、路堤填料模量、地基土模量有关，合理的确定填高、对地基进行处理、保证填料的压实可有效减小路堤坡脚位置的水平位移。 [参考文献] [1] Bastian K C，Alleman J E.Microtox(TM)characterization of foundry sand residuals[J].Waste Management.1998，18(4)：227-234. 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Deformation Analysis of Sand Embankment Considering Soft Foundation Consolidation SettlementLUO Jing， SHEN Li (Sichuan Vocational and Technical College of Communications， Chengdu， Sichuan 611130， China) [Abstract] Based on the FEM method，the deformation rules of the sand embankment above the soft foundation are studied by the FEM analysis model.The vertical deformation，the lateral deformation and the vertical stress on the base layer of the pavement are discussed by the FEM method.Thence，the deformation rules and the stress distribution are determined，in addition，the sensitivity of the parameters is discussed. [Key words] sand embankment； subgrade deformation； consolidation settlement； FEM method [中图分类号] U 416.1+2 [文献标识码] A [文章编号] 1674-0610(2016)01-0147-05 [作者简介] 罗 婧(1983-)，女，四川成都人，讲师，主要从事公路工程的勘察设计及教学工作。 [基金项目] 土建工程材料国家地方联合工程实验室开放基金资助项目(LHSYS-2012-006) [收稿日期] 2014-10-08 |
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