铁路填石路堤大粒径填料填筑过程沉降分析

赵　峰

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300142)

Large Particle Filling Process Settlement Analysis of Railway Rock-Filled Embankment

ZHAO Feng

铁路填石路堤大粒径填料填筑过程沉降分析

赵峰

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142)

Large Particle Filling Process Settlement Analysis of Railway Rock-Filled Embankment

ZHAO Feng

摘要对试验段现场填石路堤大粒径硬质填料填筑过程进行研究，分析填筑过程中路堤的受力变形及大粒径硬质岩填料对路堤沉降的影响。结合现场埋设元器件测得的实测值与有限元数值模拟结果的对比分析，提出控制铁路填石路堤沉降应采取的措施。

关键词填石路堤沉降有限元模拟大粒径

1概述

硬质岩石弃碴材质优良，但开挖出来的弃碴粒径及级配大多不满足《铁路路基设计规范》(TB10001—2012)中对填料的要求，不能直接用做填料，需要再次筛选后才能使用，这样势必增加大量的工程投资和人力物力，同时影响施工进度。由于西南山区独特的地形地貌，采用路基形式通过时必然产生大量的高填深挖，这些地区有丰富多样的石料可供开采，在开挖深路堑和隧道施工中本身就产生大量的石质弃碴，这为填石路堤提供了大量可用的填料。

试验段选在贵阳至广州铁路小碧联络线右线，位于贵阳市南明区小碧乡，处于贵州东南山区。试验段主要测试的是路堤本体的填筑压实质量和沉降，根据地质资料，填料来源地的灰岩、白云岩(W2)弱风化，属Ⅴ级次坚石，A、B组填料，填料粒径为150 mm。 现场试验段的摊铺总共分七层，每层摊铺厚度50 cm。在填石路堤的整个施工过程中，从最大限度降低路堤工后沉降和满足安全稳定性角度出发，研究大粒径填料填筑过程中的沉降变化，进而提出控制填石路堤质量的施工工序。

2试验过程及模型建立

2.1　试验填料粒径控制及元器件埋设

现场为筛选填料制备试验筛1个，孔径为150 mm，之后将筛分出来的填料均匀堆放，待现场试验时抽样检测填石料的不均匀系数和粗颗粒的相对含量。

剖面管的设置走向应垂直于线位方向，剖面沉降管用专用塑料硬管制作，其变形能力比较符合上覆填料的位移情况，剖面沉降管内的横向导轨槽必须光滑，无颗粒阻塞，两端接口无缝隙，同时采用土工布或毛巾包扎严密，以阻止较小颗粒填料渗入管内。在埋设时需先开挖沟槽，沟槽深30～40 cm左右，管顶部至填料底部不少于10 cm，考虑到本试验段填料的粒径比较大、形状不规则、材质硬度高等特点，在埋设剖面管时沟槽须用细砂填压并密实，但不能压力过大，破坏剖面管。在第一层填料填筑之前应禁止压路机、卡车等重载通过，防止剖面管被压坏，同时在伸出路堤坡脚的两端应做好端头保护密封措施(如图1)。

图1　试验段元器件埋设平面(单位：m)

2.2　模型的建立

采用MIDAS/GTS建立路堤二维模型，并用累加的方法分析计算路堤的每个施工填筑阶段，每个阶段都要考虑上一阶段的计算结果，在此基础上增加本阶段的计算成果。同时，新阶段施加的单元在计算时忽略上一阶段产生的应力应变，新加入的单元在激活阶段不考虑其内部已产生的应力。

根据现场的摊铺情况总共分七层。在二维施工阶段分析过程中，为进一步比较深入的分析施工过程，将其分为八个施工阶段，每个阶段施加的荷载为换算的均布荷载，分析路堤在每层摊铺压实过程中不同阶段的应力、应变和变形，并与现场测得的数据进行比较分析，以便全面掌握填石路堤在填筑过程中的沉降变化，从而控制施工工艺，指导施工过程(如图2)。

图2　二维路堤模型

计算参数如表1所示。

表1　填料和地基的材料力学参数

3结果与分析

大粒径石质填料主要以摩擦力和碎石间的咬合力为主，是几乎没有黏聚力的摩擦性材料。路堤的抗剪强度主要来自填石料颗粒间的摩擦力和咬合力，填料中细颗粒含量较少，不均匀系数较差，填充性不如土体填筑密实，填筑体内的孔隙率较大。填筑压实层在施加荷载的瞬间产生沉降总和，这部分沉降在施工期荷载施加结束时完成。碎石在荷载作用下，克服颗粒间的摩擦力，产生滑动和滚动，移动到较为密实和更为稳定的平衡位置上，颗粒间的孔隙被压缩，体积显著减少，填筑体不断被压实，这部分产生的变形是填筑体压缩变形的主要部分。

由有限元计算可得，选取未摊铺前，分别摊铺第三、五、七层后四个阶段的位移沉降(如图3和表2)，在摊铺厚度、路堤边界条件及施加的荷载相同的情况下，八个施工阶段总的沉降随着层数的增加数值不断增大，且增加的幅度较为一致，每层沉降值在18.5 mm左右，相邻层的沉降差几乎没有变化。在施工过程中，随着摊铺层数的增加和受到压路机的反复振动碾压作用，每层沉降比较稳定，累计最大沉降值为128.79 mm(如图4)。

图3　不同施工阶段的路堤沉降

在压路机的振动压实作用下，路堤路肩和路堤断面中心点的沉降值随摊铺层数的增加不断增大，路堤总的沉降为17.25 mm，断面中心部位总的沉降为26.93 mm，每层沉降不大，第一层摊铺后沉降值最大。随着摊铺层数的增加，沉降增加的不是很明显，总体沉降值较小。结合现场检测路堤压实度的各种方法进行分析，路堤的压实度满足要求。

图4　有限元模拟的各层沉降曲线

由表3结果所示，试验段现场测得的七层剖面管总的沉降值为149.21 mm，各层最大沉降值变化幅度很小，数据比较稳定。剖面管埋设于路堤本体的底部，与线路纵向垂直，横穿路堤断面下部，长度为34 m。路堤本体部分是对称的，可取其中一半(17 m)计算分析。将剖面管沿路堤横断面位置分为10个点，由坡脚至路堤中心分别为0 m、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m、12 m、17 m，路堤中心部位10 m区域的沉降变化沿横向X轴方向变化很小，每间隔5 m取一点，坡脚部位位移值变化很明显。为精确分析，每隔1 m取一点，计算得到的数值如图4所示。

从图4各层填筑后的路堤模拟沉降曲线可以看出，在坡脚到中心断面的0～7 m范围内，沉降数值接近呈现正弦规律的变化，随着离坡脚越来越近，数值不断减小，各层沉降值随着层数的增加，数值增加的幅度总体比较一致，变化较为稳定。层数增加，曲线总趋势呈明显上升，由第一层的18 mm变化到接近100 mm，增加的幅度显著。距中心7 m处，由7 m部位到路堤中心各层沉降值变化不大，曲线大致处于小幅水平增加，趋势平缓，七层的七条曲线变化总体趋势相同，模拟每层压实后的路堤底部各点位移变化值相差较小。随着层数的增加，接近坡脚位置的沉降呈现一定的由小到大再到小的变化趋势，这是因为随着路堤高度的增加，路堤顶部横断面在减小，荷载长度也在递减，导致坡脚的最大位移向中心位置移动，坡脚沉降减小。

表2　数值分析结果的累计最大沉降值

表3　剖面管沉降值

现场测得的剖面管沉降值如图5，曲线大体上沿着横断面中心两边对称分布，每层曲线变化规律，数值大小和变化趋势大体上一致。路堤在分层填筑过程中，地基沉降变大 且呈波浪形，在路堤两侧处地基沉降相对较小。总体上看，沉降最大值在路堤的中心附近，向两边坡脚递减，且越接近坡脚处，沉降值变化越大，变化幅度也越大，数值则不断减小。第一层压实后，沉降比较明显，原因是地基在振动碾压后，地基表面被压实，沉降较大，而在此后的第二至第七层碾压后，沉降随之在增大，但变化不明显。对比图4和图5可看出，数值模拟计算的各层曲线和现场试验测得的各层沉降曲线，在总体变化趋势和数值上较接近。

图5　现场试验测得的各层沉降曲线

4结论

通过对现场试验测得的数据与数值计算的结果进行比较分析，从而更加准确的得到路堤在各个施工阶段过程中的沉降变形特性。本试验中数值模拟得到的总沉降值与现场测试值相差20.41 mm，两种方法所得结果绘成的沉降曲线图变化趋势比较一致。考虑到试验和数值计算的误差影响，数值模拟的结果与试验测得的数据较为吻合，大粒径硬质灰岩填料的每层压实效果也满足规范的要求。现场试验受到的影响因素较多，如压路机碾压重叠，测点附近填料粒径不均匀以及施工时中间部位设置的强震区、两边弱震区等，都可能会影响到测量的结果，从而使测得的沉降值波动较大。有限元模拟得到的数值较为稳定，现场试验结果基本上能够反应出填石路堤大粒径硬质岩填料在施工填筑过程中的沉降变形，可以作为同类型填筑料的施工参考。

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中图分类号：U416.1； U213.1+57

文献标识码：A

文章编号：1672-7479(2015)01-0060-03

作者简介：赵峰(1984—)，男，2013年毕业于西南交通大学岩土工程专业，助理工程师。

收稿日期：2014-12-03