黃土山區(qū)高填方沉降變形的研究

榮韶婧 韓云山 段偉 秦偉華

中北大學理學院（030051）

黃土山區(qū)高填方沉降變形的研究

榮韶婧 韓云山 段偉 秦偉華

中北大學理學院（030051）

這里研究了黃土山區(qū)高填方邊坡在寬高比、填方高度參數影響下自重作用的沉降變形，采用了符合巖土材料的Mohr-Coulomb本構模型，對高填方邊坡沉降變形問題進行了彈塑性有限元平面應變分析，模擬了同一填方高度、同體積、不同寬高比對黃土山區(qū)高填方沉降變形的影響，以及不同高度高填方的沉降變形規(guī)律。

高填方；寬高比；沉降量

0 引言

工程實踐表明，黃土山區(qū)地基沉降是強夯高填方地基面臨的一個重要問題之一。隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，建設用地將日趨緊張。為避免與良田爭地，許多城市提出了“工業(yè)出城、項目上山”的發(fā)展戰(zhàn)略，即在黃土山區(qū)進行高填方造地。當前,利用“開山填谷”解決黃土山區(qū)公路建設及機場基地建設用地的項目日趨增多。由于“開山填谷”所形成的土石方工程量大、挖方大、高填方、極松散且不均勻的工程場地的填方地基處理問題,黃土山區(qū)造地面臨著高填方的沉降變形問題，湯東、楊有輝通過分析路堤高度與沉降變形關系，認為路堤自身的沉降對路堤總的沉降影響很大[1]。李靜榮等以實際工程沉降觀測資料為依據,分析了填方高度對沉降的影響，認為路基沉降量隨著填方高度的增加而增加[2]。這里利用Midas分析軟件就不同寬高比、不同填方高度對高填方邊坡沉降變形的影響進行建模分析，以研究其與沉降變形之間的內在關系，為黃土山區(qū)高填方邊坡工后沉降的控制提供相應的理論基礎。

1 有限元模型

1.1 計算假定

1）填方土體為均質土。

2）認為填方土體為各向同性連續(xù)介質。

3）填方土體發(fā)生的是理想彈塑性變形。

4）填方土體的變形是在自重作用下產生的，不考慮高填方邊坡上附加荷載及氣候的影響。

5）不考慮高填方土體中孔隙水壓力的影響。

1.2 建模中的本構關系

建模中采用通用的理想彈塑性本構模型以及土力學中常用的Mohr-Coulomb破壞準則進行計算分析。Mohr-Coulomb準則用平面狀態(tài)下的主應力可以表示成:

寫成一般屈服條件形式，為:

Mohr-Coulomb屈服條件的屈服面是一個不規(guī)則的六角形截面的角錐體表面，其在Ⅱ平面上的投影如圖1所示。

圖1 Ⅱ平面上的Mohr-Coulomb屈服曲線

1.3 有限元幾何模型及參數

在高填方邊坡填土力學參數相同、位移約束條件相同的情況下，模型中選取20 m、25 m、30 m、35 m、40 m的高填方邊坡進行建模計算，并且選30 m、40 m、50 m的填方高度保持邊坡體積不變，通過改變坡高比對高填方的沉降變形進行計算分析。

高填方邊坡沉降變形是平面應變問題，在建模時對模型的位移條件作如下假定:模型左右邊界水平方向位移為零，允許有豎直方向的變形，底部邊界豎直方向位移為零，模型如圖2。建模中高填方邊坡采用同一種填土材料，模型中的土體力學參數如表1。

圖2 高填方模型模擬結果及分析

表1 土體力學參數

2 模擬結果及分析

2.1 同高度、同體積、不同寬高比填方沉降變形

在同一高度邊坡體積不變，在自重作用下高填方的沉降量可能發(fā)生變化。在建模計算過程中，寬高比選1～2.0的9個值，同一高度下的體積都是以寬高比為1時的體積作為基準，選取30 m、40 m、50 m的填方高度保持體積不變、不同寬高比的高填方邊坡建模，并進行沉降變形分析，計算得出邊坡沉降變形值如表2與圖3、圖4、圖5。

表2 不同寬高比高填方沉降變形

圖3 30 m的高填方

圖4 40m的高填方

圖5 50m的高填方

表2是30 m、40 m、50 m高填方保持邊坡體積不變在不同寬高比下填方的沉降量，寬高比與沉降量的關系以圖3、圖4、圖5的形式表示出來。綜合分析三個圖可以看出，隨著寬高比的增大，高填方的沉降量呈現逐漸增大的變化趨勢。在實際工程施工中，從邊坡的穩(wěn)定性考慮,寬高比越大邊坡穩(wěn)定性越高，但相應的填方沉降量也變大。因此，同體積的高填方應選擇合適的寬高比，且同時滿足穩(wěn)定性和沉降量的施工要求。

2.2 不同填方高度邊坡的沉降變形

保持各力學參數相同寬高比為1.5的高填方邊坡進行建模,分別選取20 m、25 m、30 m、35 m、40 m的高填方邊坡進行沉降變形的分析，計算結果如表3與圖6。

表3 不同高度的邊坡沉降變形值

表3是不同高度的高填方邊坡的沉降量。圖6表示了高度與沉降量的關系曲線，從圖中可以看出，隨著填方高度的增加，沉降量逐漸增大，二者呈近似的線性正比例關系。

圖6 不同高度填方沉降量

3 結論

根據建模計算分析可知，高填方邊坡的沉降量與填方高度呈近似的線性正比例關系。在30 m、40 m、50 m填方高度、保持邊坡體積不變時，隨著寬高比的增大填方沉降量呈逐漸增大的趨勢。在實際工程中對于同體積的高填方應選擇合適的寬高比以同時滿足穩(wěn)定性和沉降量的要求。

[1]湯東,楊有輝.路堤高度與沉降變形關系的計算分析[J].公路交通技術,2007(9):1～3.

[2]李靜榮,徐曉宇.填方高度對高填方路基沉降影響分析[J].巖土工程界,2006,9(7).