基于数值仿真的轻质土换填路堤变形特性研究

2022-08-01谢规球薛国毛

广东土木与建筑 2022年7期

谢规球，薛国毛，郑中，李繁

（1、中交第四公路工程局有限公司北京 100022；2、中南大学土木工程学院长沙 410075）

0 引言

泡沫轻质土因其轻质减载的特点在路基工程领域有着良好的适应性，相较于普通填土路基，它能有效解决路基不均匀沉降及桥头跳车难题［1-4］，是目前国内外应用较广的的轻质填筑材料［5-8］，因此有必要深入探究其换填路堤的变形特性，国内相关学者在相关研究领域也作出了一定的贡献。

杨春风等人［9］基于高速扩建工程，采用有限元数值模拟的方法研究扩宽路基的应力与沉降的变化情况；李群［10］采用数值仿真手段探究了泡沫轻质土置换软土地基的沉降变形规律；骆永震等人［11］则基于FLAC3D 有限元软件，分别模拟了砂土填料与轻质土填料填筑过程中的路基应力应变情况，研究表明轻质土换填能够有效降低施工中的路基沉降变形。

目前有关泡沫轻质土换填路堤的变形特性研究仍滞后于工程实践，且缺乏系统的路堤变形量化研究，因此有必要针对不同路堤填料、路堤参数与结构形式进行深入探究，分析其对于轻质土换填路堤变形指标的影响效应。本文依托广连高速某区间的泡沫轻质土换填路堤工程，采用有限元软件开展数值模型分析。分别针对轻质土与普通填土路堤进行对比研究，以路堤变形指标为因变量，以轻质土容重以及轻质土路堤基底尺寸为自变量，探明这些参数对于变形的影响规律，进而为工程提供安全参考。

1 工程概况

广连高速公路TJ05 标段某区间的泡沫轻质土填筑工程，该泡沫轻质土换填路堤分析时可分为三部分，包括普通填土段、泡沫轻质土段以及填土-泡沫轻质土过渡段，其中，轻质土路堤段底部宽5 m，顶部宽13 m，高7.5 m；过渡段衔接形式设置为台阶式，底部宽8 m；填土段路堤底部宽20 m，顶部宽12 m，高7.5 m；实际施工中一般采用分层浇筑施工的方式，单次浇筑高度为0.6～1.0 m。相应的断面尺寸及测点布置如图1所示。根据地质勘察报告，获得试验区间岩土层计算参数参数如表1所示。

表1 岩土层的计算参数Tab.1 Calculation Parameters of Geotechnical Layers

图1 泡沫轻质土换填路堤断面尺寸Fig.1 Sectional Dimension of the Embankment Filled with Foam Light Soil （m）

2 数值模型

2.1 模型参数设定

本换填路堤模型在X向取80 m 长，Y向取40 m长，Z向取60 m 长。模型施加自动约束，即侧面施加水平方向的约束，底部同时施加水平与竖直方向的约束，模型顶面不添加约束边界。模型计算中的相关假定如下：①各地层为匀质水平层状分布，且同一土层性质为各向同性；②岩土体变形为小变形；③泡沫轻质土采用理想线弹性模型模拟，单元类型为实体单元，地基土采用摩尔-库仑本构模型；具体模型示意如图2、图3所示。

图2 轻质土路堤模型网格示意图Fig.2 Schematic Diagram of Light Soil Embankment Model Grid （m）

图3 轻质土路堤模型侧视图Fig.3 Side View of the Light Soil Embankment Model

2.2 施工工序

为真实模拟工程实际中泡沫轻质土分层填筑的施工工况，将泡沫轻质土层等分为10 层，每层高度0.75 m，通过激活相应的填筑层可实现模拟填筑的效果。主要模拟工序为：①初始应力平衡；②进行第一层轻质土填筑，激活施工荷载以及相应的轻质土填筑层；③进行第二、第三……至第十层的填筑模拟，达到预定高度，完成整个模型的计算。

2.3 模型验证

与现场监测试验所得的路堤基底沉降数据进行对比，进而验证数值模型的合理性。现场监测试验主要利用剖面沉降仪以及预埋设的剖面沉降管来实现泡沫轻质土路基基底剖面沉降数据的采集，现场试验测试点位如图1 所示。变形对比情况如表2、表3所示。

由表2 可知，对于坡脚处的侧向位移情况，数值模拟结果与现场实测值误差不大，能够较好地与现场实测相契合。由表3 可知，关于基底沉降的计算结果，数值模型与实测数据较为接近，且关于沉降随水平方向上的分布规律也较为一致。综合上述内容可认为数值模型具备一定的合理性。

表2 坡脚处地基侧向位移计算结果对比Tab.2 Comparison of the Calculation Results of the Lateral Displacement of the Foundation at the Foot of the Slope

表3 基底沉降计算结果对比Tab.3 Comparison of Calculation Results of Basement Settlement

3 泡沫轻质土路堤变形参数分析

3.1 路堤填筑材料

为进一步地比较轻质土换填的实际效果，在保持其他工况一致的条件下，将轻质土替换为表1 中的人工填土并进行模拟填筑，对比两者的模拟结果，路基变形情况如图4、图5所示。

图5 轻质土与填土路堤基底沉降Fig.5 Settlement of Light Soil and Fill Embankment Bottom

由图4可以看出，对于本依托工程，若采用普通填土进行填筑，上部路堤坡脚处的最大侧向位移约为45 mm，路堤基底以下土体的最大侧向位移为8 mm；而使用泡沫轻质土换填路堤的处理方法后，有效将坡脚处路堤侧向变形控制在1 mm 以内，地基土的变形控制在4 mm内，大大降低了路基的整体侧向位移。

图4 坡脚处路堤及地基侧向位移Fig.4 Lateral Displacement of Embankment and Foundation at the Toe of the Slope

根据图5 可知，轻质土与填土路堤基底变形均为沉降，且最大沉降均发生在距坡脚5 m 左右的位置，整体上两者具有一致的变形趋势，沿水平向呈“勺”曲线分布；轻质土换填路堤能够有效降低基底沉降量，主要是通过上部路堤减荷直接影响地基的沉降变形。

3.2 轻质土容重

保持其它参数取值参照表1 不变，分别设定轻质土容重6 kN∕m3、9 kN∕m3、12 kN∕m3、15 kN∕m3五种工况进行模拟分析，得到路基位移情况，如图6、图7所示。

图7 不同轻质土容重工况下路堤基底沉降Fig.7 Settlement of Embankment Basement under Different Light Soil Bulk Density Conditions

对于不同轻质土容重工况下路堤的变形规律而言，图6显示出随轻质土容重的增加，坡脚处路堤与地基侧向位移均呈持续增加的趋势，且增大的幅度与容重的增加幅度相当。

图6 不同轻质土容重工况下坡脚处路堤及地基侧向位移Fig.6 Lateral Displacement of Embankment and Foundation at Toe of Slope under Different Light Soil Bulk Density Conditions

对于不同轻质土容重工况下路堤的变形规律而言，图6⒜显示出随轻质土容重的增加，坡脚处路堤与地基侧向位移均呈持续增加的趋势，且增大的幅度与容重的增加幅度相当。

依据图7，可以发现路堤基底沉降与泡沫轻质土的容重总体成正比，这主要是因为轻质土容重直接关系地基的上覆荷载大小，进而影响位移结果。说明轻质土容重对于路基变形具有较大的影响效应，实际中可通过调整容重改善路基沉降变形情况。

3.3 轻质土路堤基底宽度

保持其它参数取值参照表1 不变，分别设定轻质土路堤基底宽度为5 m、7 m、9 m、11 m 四种工况进行模拟分析，得到路基位移情况，如图8、图9所示。

图8 不同轻质土路堤基底宽度工况下坡脚路堤及路基侧向位移Fig.8 Lateral Displacement of the Embankment and Foundation at the Toe of the Slope under Different Light Soil Embankment Bottom Width Conditions

图9 不同轻质土路堤基底宽度工况下路堤基底沉降Fig.9 Settlement of Embankment Basement under Differ⁃ent Light Soil Embankment Basement Width Conditions

根据图8可知，坡脚处路堤、地基侧向位移与轻质土路堤基底宽度有一定的相关性，随着基底尺寸的增大变形也有所增长，但增长幅度较小，可忽略不计。与之相反轻质土路堤基底宽度对基底沉降即沉降量具有较大的影响作用。随着基底尺寸的增大，基底沉降整体呈增大趋势，且增幅较为明显。从最大沉降发生位置来看，随着尺寸的增大逐渐向远离坡脚方向发展。这一变化规律说明了采用泡沫轻质土换填施工方法需合理选择路堤基底尺寸，避免地基产生较大沉降变形。