填沙路基施工过程中的路堤变形

【摘 要】结合高速公路填沙路基工程背景,对路基施工过程进行了模拟,探讨了安全系数在施工过程中的变化情况,分析了填砂路基与复合式路基填筑过程地基竖向位移对比.

【关 键 词】填沙路基；模拟；路堤变形

1工程背景

X高速公路南段(K190+020一K196+930)地处由多条河流冲积、洪积而形成的平原,沿线河流冲积区第四系覆盖层较厚(最厚处超过100m),其余地段第四系覆盖层一般不超过10m,相对高差不大于5m.X高速公路南段的平均路堤高度在6m左右,最高处达10m,而且沿线地表的粘土覆盖层较薄且都是很好的耕地,取土困难是本工程的突出问题,所以选用河流两岸的河砂作为本工程段主要填筑材料.然而,采用河砂进行路基填筑同样也带来了新的工程问题,例如碾压工艺问题、边坡防护问题等.本文结合该项目,对填沙路基施工过程进行了模拟,探讨了安全系数在施工过程中的变化情况,分析了填砂路基与复合式路基填筑过程地基竖向位移对比.

2路基施工过程的模拟

路堤的填筑过程,在FLAC中可以通过分层堆载进行模拟.这里,采用高度为10m的路堤为研究对象,研究高路堤填筑过程中边坡稳定性的变化情况.

2.1问题描述与模型建立

确定路基断面形式与填料的类型、物理参数及力学参数,本例采用边坡坡比分别为1:1和1:1.5路基进行分析,考虑到施工的实际情况,河砂由河岸河床采集、装车运输到施工现场,期间水大量的流失,再根据河砂的振动击实曲线,最终确定施工作业时河砂的含水率为8%左右,因此本例确定河砂的含水率为8%.这里选用全断面的路基模型进行分析.

2.2地基初始应力计算

采取地基进行材料参数赋值,并求解,使地基模型产生初始应力以模拟路基填筑之前地基的应力状态.这一过程中,路堤区域内网格都以空模型填充.

2.3路堤分层填筑模拟

在上一步已经形成初始应力状态的地基模型上,分层建立路堤模型,如将分层厚度设为2m.未达到的路堤高度范围内同样以空模型赋值.

在路基填筑之前,地基中的应力等值线呈水平分布状态(图1),对于地面线水平的地基,这是符合实际情况的.随着路基逐渐填筑到设计标高,整个路基模型内部的应力等值线明显发生弯曲,但是随着地基深度的增加,应力等值线的弯曲程度减小,表明修筑路基引起的附加应力对地基的作用减小,这种现象符合圣维南原理.这里,模型中的竖向应力等值线的弯曲现象较为一致,都趋向于路基坡面与顶面形成的轮廓线,但是水平应力等值线的变化有些差异,这是由于路基堆载过程中,使坡脚位置的土体产生不同程度位移,导致局部土体受挤压的程度不同.

3安全系数在施工过程中的变化情况

按照强度折减法计算的施工过程中的Fs结果如图2所示.

图2反映了填砂路基在施工过程中,边坡稳定安全系数Fs随着路基的填筑高度逐渐升高而变化的趋势(计算采用的分层厚度为2m.图中对比了坡比分别为1:1与1:1.5的路基,由趋势线看出,Fs值随着路基填筑高度逐渐增大而明显下降,并且.,随着路堤的升高,下降的趋势变缓.然而,不同包边厚度情况下,Fs的变化曲线几乎重合,坡比为1:1.5时表现尤为明显,但是路基坡比为1:1的的趋势线在填筑高度低于6m时,还可以较清晰的分辨出不同包边厚度影响下的曲线.

路堤堆载过程中,基底竖向位移和坡脚侧向位移影响着路堤的安全系数,为此,需要对其变化情况予以计算分析,结果分别如图3所示.

(a)路堤堆载过程中基底竖向位移

(b)路堤堆载过程中坡脚侧向位移

由图3(a)发现,当在原地面处进行路基填筑时,地面线会产生一个沉降盆,形成的剖面曲线近似于直线,整个沉降盆的最大曲率在靠近破脚的位置出现,随着填筑高度逐渐升高,沉降变形增大,沉降盆底部的曲率也增大,并最终在沉降盆底部形成最大曲率.而图3（b）则表明,在路基填筑过程中,路基边坡坡脚的侧向位移随着填筑高度的增加而以指数函数的规律增大,并且,坡比与包边厚度的变化不会改变这种增长规律性.另外,当边坡坡度较小时(1:1.5),随着包边厚度的变化,坡脚侧向位移随着填筑高度变化的趋势线几乎呈等间距分布,但是,当边坡坡度较大时(1:1),随着包边厚度的变化,趋势线随着填筑高度的增加,分布间距逐渐变大,这也表明,当边坡较陡时,坡脚侧向位移对于包边厚度非常敏感.由图中的趋势线规律发现,包边对于填砂路基有明显的收缩坡脚的作用.

4填砂路基与复合式路基填筑过程地基竖向位移对比

图4中反映了坡比为1:1的填砂路基与两种复合式路基在施工过程中基底竖向位移变化的对比情况,图中仅绘制出了填筑到设计高度之后的沉降曲线.每填筑2m砂层加铺一层50cm的风化料形成的复合式路基(简称(4:1)型复合式路基),填筑完成之后基底竖向位移分布曲线几乎与填砂路基的重合,但是砂层与风化料层等厚间隔填筑形成的复合式路堤(简称(1:1)型复合式路基)底部竖向位移分布曲线明显低于另两种路堤.

图4填砂路基与复合式路堤基底竖向位移对比

(注:标注中的4:1(1:1)表示砂层厚度:风化料一层厚度为4:1(1:1),风化料层厚度为50cm)

5结语

通过路基分层堆载的方式模拟路基的施工过程,凡值随着填筑高度先出现急剧下降的趋势,而后趋势逐渐减缓,整条趋势线有些类似于二次抛物线的形式.研究填筑过程中Fs值与边坡坡脚的关系时发现,两者之间有显著的如下幂函数关系:Fs等于AuB,其中u表示坡脚的侧向位移,A,B分别为待定系数.在填筑过程城中,包边对于安全系数的影响并不大,影响范围在0.05以内,但是包边厚度增加可以明显使路堤的坡脚收缩.