軟巖填筑路基在外部因素影響下沉降變形作用機(jī)理分析

馬 耀 先

(四川盛唐建設(shè)工程有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

云貴高原山區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，區(qū)域內(nèi)泥質(zhì)粉砂巖夾泥巖分布廣泛，這些泥質(zhì)粉砂巖屬于軟質(zhì)巖塊[1-2]。在云貴高原修建公路[3]，因當(dāng)?shù)貙俑呱綅{谷地形，不可避免會(huì)遇到逢山挖隧洞、遇谷筑路堤的情況，且挖、填方量巨大，若將工程削坡、棄渣產(chǎn)生的泥質(zhì)粉砂巖用作路基填料，可大量減少資源的浪費(fèi)和建設(shè)成本，并保護(hù)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)壞境。通過文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)[4-8]，在不同填筑高度和不同上部荷載作用下，路堤變形沉降存在一定的規(guī)律[9-10]。因此，相關(guān)人員開展了云貴高原山區(qū)軟巖填筑路基施工關(guān)鍵技術(shù)研究并取得成功，對(duì)環(huán)境保護(hù)和降低投資成本具有重要意義。

1 有限元模型建立

1.1 模型尺寸

本項(xiàng)目位于貴州省西南部，途徑烏蒙山脈東南側(cè)邊緣山區(qū)。沿線地層較為復(fù)雜，巖性組合多樣，為了方便模型的建立與統(tǒng)一，取項(xiàng)目軟巖填筑路基工程處理設(shè)計(jì)圖為基本模型。

依據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)確定模型基本參數(shù)，構(gòu)建簡化的原尺寸模型。路基模型分三種，其寬、高分別是24.5 m、16 m，24.5 m、20 m和24.5 m、24 m。分三級(jí)進(jìn)行放坡，其中坡率分別是1∶1.5和1∶1.75。分層填筑路基，路基深度為35 m，壓縮層有效寬度為40 m。

1.2 有限元模型參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，由于路堤縱向沉降基本一致，將模型簡化為二維平面應(yīng)變問題。由于Plaxis程序?qū)ν馏w固結(jié)滲流計(jì)算模塊的變形和穩(wěn)定性分析有其獨(dú)到之處，使用其程序中的三角形單元進(jìn)行建模。模型的兩側(cè)為不透水邊界，以水平速度為零控制水平位移，底部邊界條件為透水邊界，設(shè)置鉸鏈約束。采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，路基橫斷面模型如圖1。

摩爾-庫倫強(qiáng)度準(zhǔn)則為：

τ=σtanφ+c

式中τ為剪刀應(yīng)力；σ為垂直；φ為內(nèi)摩擦角；c為黏聚力。

根據(jù)地勘資料，路基由下到上是強(qiáng)與中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖各15 m，粉質(zhì)黏土5 m。路堤填料由下到上分別是灰石渣0.8 m、粉質(zhì)黏土2 m，剩余部分全部填筑強(qiáng)、中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖。模型水位取在地面以下5 m處，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)以及現(xiàn)場施工情況，地基壓實(shí)度不小于90%，取壓實(shí)度90%時(shí)的填土力學(xué)參數(shù)進(jìn)行模擬試驗(yàn)(表1)。

表1 取壓實(shí)度90%時(shí)的填土力學(xué)參數(shù)進(jìn)行模擬試驗(yàn)表

2 沉降變形作用機(jī)理分析

本文針對(duì)軟巖填筑路堤以及在不同高度、不同上部荷載情況下進(jìn)行了分析研究。

2.1 在不同施工進(jìn)度情況下的沉降變形分析

2.1.1 沉降規(guī)律

在Plaxis中我們可以看到填筑每一步的過程和其沉降情況，計(jì)算所得路基沉降變形網(wǎng)格圖見圖2。

圖2 路基沉降變形網(wǎng)格圖

為了分析填土高度增加對(duì)地基表面沉降的影響，在路基表面處從中點(diǎn)開始設(shè)置了10個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，所得監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制沉降曲線如圖3。

圖3 監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制沉降曲線圖

在筑路完成后，路堤的沉降主要是由重力及其附屬作用引起的，可以大致分為兩部分，一是由重力本身引起的沉降壓縮變形，一是邊坡在重力作用下，向臨空面出現(xiàn)側(cè)向滑移引發(fā)的沉降變形[11-12]。

由圖2可知，路堤修建后，沉降值在路基表面中心大，向兩側(cè)減小，表面呈現(xiàn)凹形。坡腳向外側(cè)位移，而沉降后路堤表面寬度減少，整體呈收縮狀態(tài)。從豎向來看，沉降與深度成負(fù)相關(guān)，深度越小沉降越大，在路堤表面中心出現(xiàn)最大沉降。從橫向看，越往中部沉降越大。路肩處水平位移隨深度的增加，先增加到最大值后，逐漸減小，中間出現(xiàn)兩個(gè)零水平位移點(diǎn)，分別是路基表面附近和路基深部，填土表面水平位移出現(xiàn)負(fù)值和路堤底面?zhèn)认驍D出現(xiàn)象。

當(dāng)填筑完成后，土體有往兩邊滑動(dòng)的趨勢，并且在坡腳的位置有比較明顯的水平位移。主要沉降還是集中在路堤頂面中心處。

從圖3中我們可以更加清楚地看到，當(dāng)填筑高度從3 m增加到16 m，路基中心沉降最大值與路基高度成正相關(guān)；增長速率隨填筑高度的增加，逐漸遞減；路基整體橫斷面沉降值也由均勻沉降向不均勻沉降過度。

相對(duì)剪應(yīng)力比是當(dāng)前土體最大剪應(yīng)力與土體破壞的控制性最大剪應(yīng)力的比值，相對(duì)剪應(yīng)力比值越接近1，土體的安全儲(chǔ)存便越小，土體越容易出現(xiàn)破環(huán)。

通過對(duì)在不同路堤填土高度情況下相對(duì)剪應(yīng)力比的結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，隨著路堤填土高度從3 m增加到16 m，相對(duì)剪應(yīng)力比逐漸增加，土體安全儲(chǔ)存逐漸減小，且以路堤高度為11～14 m為分界區(qū)域，填土穩(wěn)定性不斷減小，土體由安全逐漸向危險(xiǎn)方向發(fā)展。當(dāng)路堤填土高度達(dá)到14 m時(shí)，出現(xiàn)土體相對(duì)剪應(yīng)力大量積聚達(dá)到極限值狀態(tài)，導(dǎo)致土體由彈性向塑性轉(zhuǎn)化；若繼續(xù)增加路堤高度，塑性區(qū)將會(huì)以這一范圍為中心擴(kuò)散，使土體安全儲(chǔ)存降低。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)在相同路基高度模型中，邊坡坡腳處相對(duì)剪應(yīng)力比而言，其余部分較早達(dá)到極限值1，表明該處土體更易發(fā)生破壞。

2.1.2 作用機(jī)制

由上述分析可以看出，沉降主要集中在路堤頂面，是因?yàn)槁返添敳客馏w在重力作用下下沉，在中部往下擠壓，向路堤兩側(cè)臨空面產(chǎn)生擠出趨勢，由于土體抗拉強(qiáng)度很低，在底面出現(xiàn)水平向拉應(yīng)力導(dǎo)致側(cè)向擠出位移增大，達(dá)到峰值后減小。并且隨著填土高度的增加，由于坡度的影響，填土集中在中部，引起的沉降也就在中部更大。水平位移也是因?yàn)槌两导性诼返讨胁浚喜康耐馏w有往中間擠壓的趨勢，下部土體被擠向兩側(cè)。

2.2 在不同上部荷載作用下路基沉降變形

2.2.1 沉降規(guī)律

對(duì)基本模型施加不同荷載，進(jìn)行90天的靜載試驗(yàn)。分別施加每延米50 kN、100 kN、150 kN、200 kN、250 kN、300 kN的荷載，待其變形穩(wěn)定后進(jìn)行分析。

隨著施加的上部荷載從50 kN/m增加到300 kN/m，路基表面中心的最大沉降量也從76 mm迅速增大到150 mm。同時(shí)，坡腳向著臨空面移動(dòng)，水平位移逐漸增大，側(cè)滑的趨勢愈加明顯。在外加荷載和自重的共同作用下，沉降主要發(fā)生在中上部，擠壓中部，在泊松效應(yīng)下，向兩側(cè)進(jìn)行擠壓，出現(xiàn)滑移。

在路堤中線處設(shè)置了10個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，用于監(jiān)測中線處沉降值，根據(jù)所監(jiān)測的不同荷載下路堤中線沉降見圖4。

圖4 不同荷載下路堤中線沉降圖

從圖4可以看出，外加荷載對(duì)路堤沉降數(shù)值有一定影響，但總的沉降變化規(guī)律基本不受影響，都是隨著深度的增大，沉降量逐漸降低，最后到路基表面接近零沉降。沉降變化速率也是中間大，兩頭小。

通過對(duì)不同荷載下相對(duì)剪應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，路堤中部和路基以下出現(xiàn)大量能量積聚區(qū)域，在這一范圍內(nèi)的土體相對(duì)剪應(yīng)力比更易達(dá)到極限值1，并且隨著荷載增大，這一范圍逐漸由路堤中心向四周擴(kuò)散，在坡腳處達(dá)到相對(duì)剪應(yīng)力比極限值的范圍也在擴(kuò)大，并且向路堤中心靠攏。這種現(xiàn)象表明了整個(gè)路堤、路基隨著荷載增大，大部分土體達(dá)到其彈性變形能力極限狀態(tài)，進(jìn)入彈塑性變形階段，容易發(fā)生土體破壞。

2.2.2 作用機(jī)制

本文是用均布荷載來模擬交通荷載，在高填方路基中，大部分沉降都是由自重應(yīng)力作用而產(chǎn)生；最大沉降值與外加荷載成正相關(guān)。在外加荷載達(dá)到300 kN/m時(shí)，土體的承載力達(dá)到極限，最大沉降值突然大幅度增加。

在路基表層處沉降值的突變，則是由路基與路堤填料壓實(shí)度有所區(qū)別所引起的物理力學(xué)性質(zhì)不同。路基經(jīng)過處理后，土體的物理力學(xué)性質(zhì)相對(duì)提高，從而在交接處出現(xiàn)沉降值不均勻的變化。

3 結(jié) 語

本文利用Plaxis程序，通過數(shù)值建模方法對(duì)軟巖填筑路基進(jìn)行模擬，對(duì)在不同高度、不同荷載作用下的路基沉降變形進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論:

(1)分級(jí)施加上部荷載，路基沉降與上部荷載成正相關(guān)；隨著上部荷載的增加，相對(duì)剪應(yīng)力比接近極限值1的土體范圍隨之增大，使越來越多的土體進(jìn)入塑性階段，路基沉降幅度增大。因此，路堤填筑時(shí)上部荷載不宜過大，在不失去填料承載能力的情況下，增加上部荷載也能達(dá)到減小施工后沉降量的效果。

(2)在路基高度相同的模型中，坡腳處土體與其余部分相比，其相對(duì)剪應(yīng)力比較早達(dá)到極限值1，表明該處土體更易發(fā)生破壞。

(3)隨著路堤高度增加，沉降量增大，因此，在施工期間減小每層填筑高度，分層施工高度越小越能保證壓實(shí)填筑效果，能夠有效減少工后沉降量。