路堤荷载下公路软基侧向变形规律分析

吴少勇

我国沿海地区广泛分布较深厚的海相、滨海相淤泥和淤泥质软土,具有高含水量、高压缩性、低强度、低渗透性和高灵敏度等特点,地基稳定性差[1]。软土路基的变形除了竖向沉降变形外,还有侧向变形。因为一般路段的长宽比L/B≥10,属于平面应变问题,随着路基内竖向应力、水平应力和剪应力的增加和塑性区的开展,地基土产生侧向位移,并在施工期和运行期(工后)长期存在[2,3]。本文主要以广珠高速西线公路软基监测工程为依托,考虑了施工过程中路堤分级堆载以及软土蠕变对软土路基侧向变形的影响,应用Plaxis软件对广珠高速公路西线K11+196断面路基侧向变形规律进行了数值模拟分析,将计算结果与实测结果进行了对比分析。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

广州—珠海(西线)高速公路是广东省珠江三角洲地区高速公路网的重要组成部分。广珠西线北起广州南环海南村,跨珠江,经三山、陈村,终点在顺德市北窖镇碧江,与碧桂一级公路相接,全长14.659 km。该线路位于珠江三角洲冲积平原,地势较为平坦。全线路主要路段均为桥梁和软基交错,且其中相当一部分为桥头地带,软土软厚,桥头路堤填土较高,结合广东近年来对软基处理积累的经验,采用常规堆载预压法处理,按照薄层轮加法进行路基填筑施工。

1.2 地质工程情况

从地质勘察报告可知,K11段地区的地层从上至下:①填砂:一般厚度2 m,鱼塘部分厚2.5 m,主要是回填砂垫层及工作垫层。②耕植(表)土:分布范围1.2 m～2.0 m,土黄色,主要分布在K11+021～K11+044,局部见少量的植物根。③淤泥:分布范围1.2 m～13.5 m,呈灰黑色,饱和,流塑状,上部夹0.3 m～0.5 m厚粉细砂,局部含少量贝壳片,底部富含腐殖质。④粉质土:呈粉白色～黄色、紫红色,主要成分为粉粒及粘粒,含少量粉砂,软塑～可塑。⑤粉土质砂:紫红色,主要为粉粒,粘粒含量较少,湿,稍密。

2 Plaxis有限元分析模型

2.1 模型建立

对路堤分级堆载而言,从严格意义来讲,是一个三维问题,但在目前的条件下,采用三维有限元其建模比较复杂,而且得不到理想的分析结果,一般路段的长宽比L/B≥10,属于平面应变问题。故计算模型近似将三维问题简化为二维平面应变问题进行计算。本文选取广珠西线K11+196断面进行了路堤堆载下公路软基侧向变形定量分析。该路堤断面顶宽为30 m,路堤填筑高度6.54 m,坡度为1∶3,软弱地基深度为23 m。

根据地质勘察资料,地基软土按照土性差异可以划分为5个土层,各层路基土的有限元计算参数见表1。地下水位位于地表。有限元分析中采用15节点的三角形单元进行网格剖分,有限元计算网格剖分图如图1所示。

表1 土体计算参数

Plaxis模拟过程采用的是软土蠕变模型和莫尔—库仑模型经过组合变化得到的粘塑性蠕变模型。路堤以下的路基部分采用蠕变模型计算[3]。实际路堤堆载过程中分18级加载,每级计算加载与实际施工过程的加载曲线如图2所示。

2.2 边界条件

模型在建立时,以路基中线为对称轴,只取一边范围的土体建立有限元分析模型。地基的侧向边界水平位移为0,在路基中线下处的边界竖向可以自由变形,所以竖向不受约束,而在另一边的边界需要考虑路基变形的影响范围,一般取堆载土体宽度的4～5的距离时,可以不考虑堆载体的影响,对水平向位移可以约束,不能约束竖向位移。对于底部为透水基岩,水平位移和竖向位移都受约束,不可以自由变形[4]。

2.3 软土初始状态定义

对于孔压边界条件,两边为透水边界,孔压未知;底部根据土层情况,设为透水边界。而在竖向排水位置,由于孔隙水均从排水体中排出,故在上下边界设为透水边界。

3 Plaxis计算结果分析

3.1 侧向变形与实测结果对比

图3,图4分别为路堤坡脚处侧向位移的理论计算值和实测值分布曲线图。从图3,图4可知,路堤堆载下公路软基侧向变形的理论值和实测值比较接近,其曲线形态相也比较相似。从以上对比可以发现,采用有限元法模拟得到的结果和实测值相比,得到的结果都较为吻合。

3.2 软基侧向变形分析

由路堤坡脚处横断面侧向位移分布曲线可知,侧向位移变化呈现随软基深度先增大后减小的趋势;有限元计算表明当填土256 d时,在软基表面下5.80 m附近,侧向位移达到最大值0.21 m,即最大侧向变形依然发生在淤泥质土层。侧向位移在堆载预压期迅速增加,而在每级填土荷载加载完毕后的预压期间,土体侧向位移开始膨胀变大。

3.3 最大侧向位移分析

图5,图6为不同路堤堆载高度的软基侧向位移等值线云图,从图5,图6可知,路堤从填筑开始即发生侧向变形。随着路堤填筑高度的增加,侧向位移分布区逐渐由坡面向坡内发展,侧向变形区的面积逐渐扩大,同时,侧向变形区在地基内逐渐向下扩展。

从路堤堆载下软基侧向位移场的发展情况来看,随着路堤填筑高度的增加,软基最大侧向位移的位置由路堤坡脚与软基交界处向淤泥质黏土层中发展,直至路堤堆载施工结束,施工完成后,以最大侧向位移为中心,侧向位移等值呈现出“椭圆”的形态分布于软基的淤泥质土层中。

4 结语

根据二维平面有限元分析程序Plaxis对某高速公路K11+196断面路堤堆载施工进行了数值模拟,将数值结果与实测结果进行对比分析可知,利用有限元计算程序模拟路堤荷载下公路软基侧向变形规律,并为实际高速公路工程软土侧向变形预测提供较准确的理论和施工指导。

[1]阎 钶,朱长歧.海沧大道软土路基施工侧向位移数据分析[J].岩土力学,2003,24(sup):465-468.

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[3]马时冬.路堤下软粘土地基的侧向位移[J].华侨大学学报(自然科学版),1995,16(2):165-167.

[4]Vermeer P.A,Neher H.P.A soft soil model that accounts for creep.Beyond 2000 in Computational Geotechnics-10 Years of PLAXIS International[C].Balkema:Rotterdam,1999:1-13.

[5]孙 钧,汪 炳.地下结构有限元法解析[M].上海:同济大学出版社,1988:6.

[6]李 飞.路堤堆载引起路基及邻近桩土侧向变形效应研究[D].南京:河海大学硕士论文,2005.