斜坡地基高填方路堤模型試驗極限承載力數值分析*

趙煉恒 王志斌 李 亮 但漢成 劉 項

(中南大學土木建筑學院1) 長沙 410075) (湖南科技大學土木工程學院2) 湘潭 411201)

在山區(qū)修建高等級公路,不可避免會遇到大量斜坡地基上的高填方路堤[1-2].但由于其影響因素多、試驗經費高等原因,現有試驗研究主要集中在小尺寸模型試驗、土工離心試驗和數值模擬方面,國內采用室內大尺寸模型試驗研究的資料較少[3-4].通常大型室內模型的制作和系統(tǒng)測試需花費大量經費和時間,因而結合數值模擬的輔助方式,研究不同工況下斜坡地基上填方路堤物理力學響應與變形破壞形式非常有意義[5-6].本文在室內大型模型試驗的基礎上,建立了考慮試驗模型槽和斜坡地基邊界效應的數值計算模型,分析了室內模型斜坡地基上填方路堤變形和破壞的物理力學形態(tài).

1 室內模型試驗

1.1 室內試驗模型原型

試驗依托工程為湖南省常(德)-吉(首)高速公路有代表性的路段,試驗模型與原型按照1∶20的比例制作,室內模型試驗尺寸如圖1所示.

圖1 室內模型試驗示意圖

基本模型試驗步驟為:土工試驗→模型制作→傳感器設置→加載裝置設置→加載控制→數據觀測→模型開挖觀測.

1.2 試驗模型槽

試驗模型在長方體形狀的地下模型槽內修筑完成,模型槽最大尺寸為6 m×3 m×3 m,最大容量54 m3.在槽內修筑鋼筋砼剛性擋土墻并在擋土墻上設置觀測窗口,以利于對填方路堤變形和破壞的物理形態(tài)進行直觀觀察.試驗模型有效尺寸為5.6 m×1.6 m×3.0 m,斜坡地基采用亞砂土水泥改性土模擬,填方路堤采用紅砂巖破碎后的碎石土修筑(壓實度達到90%),修筑完成的試驗槽如圖2所示.

圖2 試驗模型槽

1.3 試驗設備

模型試驗所需儀器設備包括荷載裝置與測試設備兩類.利用模型槽兩側的兩排預埋錨索并結合橫跨于模型槽上方的槽鋼作為反力裝置,采用1 000 kN臥式液壓千斤頂對填方路堤的預制剛性鋼筋混凝土板進行加載.根據試驗設計目的,模型試驗過程中有如下詳細測試項目:荷載作用下路堤內部應力、填方路堤變形、極限承載力大小以及滑動破壞面形態(tài)與位置.

1.4 模型試驗

限于篇幅與本文主題,以下主要闡述模型試驗極限荷載下填方路堤破壞形態(tài)的試驗結果,詳細量測過程和試驗成果見文獻[2].

試驗模型在坡頂加載過程中,當外荷載增加到一定量值后,路堤坡面出現均裂隙.繼續(xù)施加2～3級荷載,通過對加載狀態(tài)下填方路堤坡面裂隙的發(fā)展情況進行觀測,發(fā)現本次模型試驗出現了兩種基本的破壞形態(tài):半填半挖路基的折線形破壞形態(tài)和高填方路堤的沿斜坡坡面滑動破壞形態(tài).

試驗中,認為當坡面出現較大裂隙或路堤變形嚴重時路堤破壞,此時所加荷載即為該模型的極限荷載.依據該假定,選擇其中極具代表性的3個模型試驗破壞形式和極限承載力如表1所列.

表1 模型試驗滑動面位置及極限承載力

2 數值模型介紹

本文FLAC3D模型計算模型試驗極限承載力的基本過程是:編制FISH子程序,采用增量加載直至模型破壞.控制指標為:當模型體出現過度變形或不能再進行穩(wěn)定的數值計算時,確定模型為破壞,填方路基上施加的荷載即為極限荷載.

2.1 數值計算模型

數值計算中采用能夠較為全面的反映影響模型計算的主要因素且建模過程較為簡單易行的數值計算模型即可.依據該原則并考慮對稱性,數值計算模型取為實際試驗模型的一半,并根據試驗實際情況設置了3種材料屬性,并在各材料接觸的地方設置接觸面.

根據計算模型對稱性,模型中左側邊界只采用x向約束,中右側、后側、前側及底側邊界均采用三向約束,頂面與路堤坡面為自由面.同時為了適應邊坡在加載至破壞過程中出現的大位移反應,采用大變形模式進行模擬.典型計算模型如圖3.

圖3 典型計算模型簡圖

2.2 數值計算材料參數

數值計算分析的準確性取決于本構模型選取的正確性和巖土體力學參數取值的可靠性.本文中斜坡地基和填方材料采用莫爾-庫侖模型、模型槽材料采用彈性模型.模型試驗中三者之間的接觸面特性及材料的基本物理力學性質通過室內常規(guī)實驗并參考相關資料[7-9]獲得,選取參數如表2、表3所列.

表2 數值計算接觸面參數

表3 模型試驗材料數值計算參數

3 數值計算結果

圖4 數值模型3變形破壞圖

數值計算過程中增量加載直至模型破壞,當模型體出現過度變形或不能再進行穩(wěn)定的數值計算時,確定模型破壞.通過數值模型體在荷載作用下的物理力學響應可以較為直觀的找出模型體的變形和破壞模式,3個模型體在極限承載力作用下的位移矢量圖和位移變形云圖如圖4所示.

由圖4可看出,斜坡地基上半填半挖路基和填方路基呈現出兩種不同的破壞模式,半填半挖路基所顯示的破壞面均為折線型,而填方路基的破壞面則為斜坡地基坡面與填方路堤的接觸面,這與室內模型試驗的結果一致.同時由圖示路堤位移矢量圖及變形云圖可以較為清晰地找出滑動面,荷載作用下坡頂土體以向下運動為主,至滑動破壞面則逐漸轉化為向坡外臨空面運動.量測出模型1、模型2折線形滑動面距路堤頂面分別約為38 cm和45 cm,滑動面出露位置大致位于路堤填土高度的2/3處,與試驗誤差值在12.5%以內,能夠較為準確的印證室內模型試驗結果.由模型3的位移矢量圖可以看出,填方土體均不同程度的向臨空面滑移,且滑移方向基本一致,由此可以確定其滑動面為斜坡地基坡面與填方路堤的接觸面,與室內模型試驗結果較為吻合.

4 模型試驗與數值計算對比分析

數值計算中增量加載直至模型破壞,當模型體出現過度變形或不能再進行穩(wěn)定的數值計算時,此時在路基上施加的荷載即為極限荷載,極限荷載和破壞面位置與室內模型試驗的對比如表4所列.

表4 試驗與數值計算滑動面位置及極限承載力對比

數值計算過程中記錄的填方土體頂面荷載和頂面豎向位移之間的p-δ關系與室內模型試驗的結果對比如圖6所示.

由圖6和表4可以看出:極限承載力數值計算結果均略大于室內模型試驗結果,有兩個模型的計算結果誤差控制在10%以內,總平均誤差約為12.23%;數值模型滑動面則與室內模型試驗基本一致.說明數值計算較為準確的反映了室內模型試驗的真實物理過程.

圖6 頂面p-s曲線

由圖5還可看出,數值計算記錄的 p-δ關系曲線在加載前期,載荷-位移響應具有較為明顯的線彈性性質,這與室內模型試驗的 p-δ關系曲線有較大差異.其原因在于:影響室內模型試驗結果的因素很多,而數值計算模型是對室內實際模型條件的理想簡化,土工試驗參數、模型槽與斜坡及填土界面計算參數的選取、室內模型試驗所用填土材料的各向異性和不均勻性、反力裝置和加載設備的不穩(wěn)定影響、測量和觀測設備的誤差以及模型試驗過程中存在各種主客觀誤差均是造成數值計算值與室內模型試驗值有誤差的原因.

5 結 論

1)基于3個大型室內模型試驗結果,通過FLAC3D軟件建立數值模型的方法對斜坡地基高填方路堤在極限承載力作用下的力學行為進行了數值模擬.研究表明通過對數值計算模型的校驗后再進行室內模型的數值模擬,是實用有效的研究方法,能為充分認識斜坡地基上高填方路堤力學狀態(tài)提供有益參考.

2)數值模型的計算結果在斜坡地基上填方路堤頂部所能承受的極限承載力、填方土體變形和破壞的物理形態(tài)方面,與大型室內模型試驗結果吻合較好,說明所采用的數值模型基本正確,較好地反映了真實的室內模型試驗過程.

3)數值計算模型是對室內實際模型條件的理想簡化,由于多種原因雖不能做到結果與室內模型完全相同,但依然能夠定量的反映真實物理過程.通過后續(xù)的建模及參數校正后,可進行各種參數的敏感性分析,因而能為設計計算提供參考和依據.

[1]鄧衛(wèi)東.高填路堤穩(wěn)定性研究[D].西安:長安大學公路學院,2003.

[2]王志斌.巖質斜坡地基上填方路堤穩(wěn)定性研究[D].長沙,中南大學土木建筑學院,2007.

[3]李碧雄,張利民,陳謙應.斜坡上高路堤的穩(wěn)定及變形試驗研究[J].成都科技大學學報,1996(5):12-18.

[4]趙煉恒,羅 強,楊 峰,等.臨坡條形基礎極限承載力上限計算[J].武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2010,34(1):84-87,92.

[5]高文華,Richard J.Bathurst.條形荷載下加筋土邊坡破壞機制的數值模擬[J].土木工程學報,2007,40(6):54-58.

[6]Itasca Consulting Group.Inc.FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions)User manual Version 2.1[M].USA:Itasca Consulting Group,Inc.,2003.

[7]巖土工程手冊編寫委員會.巖土工程手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1994.

[8]水利水電規(guī)劃設計總院.混凝土面板堆石壩研究成果匯編[M].北京:水利水電規(guī)劃設計總院出版,1991.

[9]殷中澤,許國華.土與混凝土接觸面剪切特性[C]//第六屆全國土力學及基礎工程學術會議論文集.上海:同濟大學出版社,1991:97-100.