高寒地區(qū)高填方路基不均勻沉降數(shù)值模擬分析及質(zhì)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(guò)境段工程起于黑龍江省佳木斯市北岸萬(wàn)慶屯北約3 km處，路線延西南向布設(shè)，在連慶屯西側(cè)轉(zhuǎn)向南行，跨越京撫公路后設(shè)置松花江特大橋跨越松花江，過(guò)江后在黑通村東側(cè)轉(zhuǎn)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(hào)K330+250)銜接后繼續(xù)延?xùn)|南向布線，在草帽村北接終點(diǎn)鶴大高速，路線全長(zhǎng)25.239 km。本地區(qū)為高緯度高寒區(qū)，季節(jié)凍土標(biāo)準(zhǔn)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(jī)理研究

填筑路基在受荷載應(yīng)力的作用下延垂直方向發(fā)生形變位移稱為沉降，沉降過(guò)程主要分為以下四個(gè)階段：(1)當(dāng)上部荷載作用在路基填料時(shí)，如果土體顆粒之間的粒間引力小于上部荷載，則土體的穩(wěn)定狀態(tài)將被打破，骨架結(jié)構(gòu)將重新排布，直至上部荷載與土體顆粒間引力平衡，這一過(guò)程中對(duì)路基沉降影響最大，使填土顆粒也變得更加密實(shí)。(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(xì)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(huì)引起細(xì)微的沉降。(4)本工程地處高寒地區(qū)，土體結(jié)構(gòu)受溫度變化影響較大，對(duì)高填方路基沉降的擾動(dòng)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(fā)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(duì)高寒地區(qū)高填方路基不均勻沉降進(jìn)行數(shù)值模擬，分析不同填筑高度荷載作用下的沉降規(guī)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(shí)刻處于恒溫，土體凍結(jié)前溫度為15 ℃；(3)不考慮水分遷移對(duì)填筑體積的影響；(4)模型的體積變化可對(duì)非彈性形變產(chǎn)生影響；(5)模型的塑性勢(shì)是非關(guān)聯(lián)的。

3.2 模型建立

本次分析模擬中路基寬度設(shè)定為26 m，坡度比設(shè)定為1∶1.5，結(jié)合工程實(shí)際選取土：石為70∶30的碎石土為填筑材料，其物理性質(zhì)如表1所示，根據(jù)有限元計(jì)算要求進(jìn)行網(wǎng)格劃分，根據(jù)勘察報(bào)告對(duì)原地基的物理力學(xué)參數(shù)設(shè)定如表2所示，水平邊界設(shè)定足夠大，對(duì)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(xué)參數(shù)

表2 原地基的物理力學(xué)參數(shù)

圖1 高填方路基有限元模型

3.3 有限元模擬分析

結(jié)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(jìn)行模擬分析，各個(gè)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(jù)有限元模擬路基不同填筑高度的沉降云圖獲得沉降結(jié)果如表3所示，路基填筑高度與沉降數(shù)值的關(guān)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(shù)值有明顯非線性增大的趨勢(shì)。

表3 路基不同填筑高度沉降數(shù)值結(jié)果

圖3 沉降數(shù)值隨路基填筑高度變化圖

4 質(zhì)量控制方法

(1)對(duì)高填方路段編制專項(xiàng)施工方案，結(jié)合工程特點(diǎn)選取合適的填筑方法，合理調(diào)配人員、機(jī)械，任用經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)人員作為現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)人，在施工過(guò)程中做到井然有序。

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

(3)為防止垃圾、浮土、樹(shù)根等因素對(duì)路基強(qiáng)度和穩(wěn)定性的影響，應(yīng)嚴(yán)格控制施工清表工作，并對(duì)原有路基做到充分壓實(shí)和排水。

(4)按照設(shè)計(jì)要求對(duì)填料土石比、原材的篩選嚴(yán)格控制，充分發(fā)揮優(yōu)良材料對(duì)高填方路基穩(wěn)定性有利的作用，保證填筑材料性質(zhì)相同，優(yōu)先使用抗凍脹、干密度大、物性穩(wěn)定、有利于提高低級(jí)承載力的填筑材料。

(5)嚴(yán)格遵守規(guī)范施工工藝流程施工，按照設(shè)計(jì)厚度要求進(jìn)行分層填筑壓實(shí)，保證各層壓實(shí)度滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)做到每層路基填筑完成后表面平整、銜接得當(dāng)，嚴(yán)格遵守質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分層驗(yàn)收，驗(yàn)收合格后再進(jìn)行下一步施工。

(6)含水率也是影響高填方路段重要指標(biāo)之一，在嚴(yán)格控制路基含水率的同時(shí)應(yīng)實(shí)時(shí)關(guān)注天氣變化和施工環(huán)境的濕度指標(biāo)。時(shí)刻保證高填方路段的含水率在最佳范圍內(nèi)。

(7)填筑過(guò)程中需采用大噸位壓路機(jī)對(duì)路基進(jìn)行震動(dòng)碾壓，監(jiān)測(cè)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程中如發(fā)現(xiàn)任何指數(shù)不達(dá)標(biāo)需及時(shí)補(bǔ)救，如情況較為嚴(yán)重需進(jìn)行返工處理。

5 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)地處高寒地區(qū)的鶴大高速佳木斯過(guò)境段工程高填方路基結(jié)構(gòu)形變展開(kāi)研究，總結(jié)了路基各個(gè)階段的不均勻沉降機(jī)理；運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS建立模型分別對(duì)不同填筑高度的沉降進(jìn)行模擬并提出了一套高填方路基的質(zhì)量控制方法，主要得出以下結(jié)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(zhuǎn)換都是影響路基發(fā)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(guān)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(huì)隨之不斷增大；(3)合理施工控制方法和嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗(yàn)措施可有效控制路基發(fā)生不均勻沉降。