基于FLAC3D的斜坡路基差异沉降建模及控制措施

窦鹏（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津　300142）



基于FLAC3D的斜坡路基差异沉降建模及控制措施

窦鹏
（铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津300142）

摘要：基于FLAC3D建立斜坡路基段模型进行数值模拟，通过与现场实测沉降数据进行比对，证明了所建立模型的可靠性，在此基础上，模拟分析了铺设土工格栅对路基差异沉降的控制效果，结果表明铺设土工格栅能有效减小斜坡路基的差异沉降，为斜坡路基差异沉降控制提供了参考依据。

关键词：斜坡路基，FLAC3D，差异沉降，数值模拟，土工格栅

0　引言

随着我国高速铁路客运专线规划及建设里程大幅提高，且建设重点向我国中西部地区转移。中西部地区由于受地形地貌、地质条件及线形的制约，将不可避免的修筑高填深挖以及斜坡路基，而这些地区路基更容易产生差异沉降，从而影响铁路的使用性能和寿命［1］。因此对斜坡路基差异沉降的控制措施进行研究已成为十分重要的课题［2］。

由于铁路路基的工后沉降变形属于高度非线性问题，得到路基工后沉降变形最为直观的方法是进行现场监测，然而现场监测的手段受限于监测点的布设和监测方法的选择，故并不能够全方位的呈现线路各个断面的变形状态。近年来数值模拟技术开始逐步应用在岩土工程领域，由于FLAC3D采用混合—离散分区技术和显式拉格朗日算法，能够十分准确地模拟地基土的塑性破坏和流变，故广泛应用于路基差异沉降的计算分析中［3］。目前斜坡路基差异沉降的处治措施主要包括强夯处治、土工格栅处治以及支挡结构处治［4，5］。龙海涛等［6］结合FLAC3D数值模拟与现场监测的方法，研究了高填方软土地基快速填筑时的差异沉降规律，结果表明FLAC3D数值计算在总体上能够反映高填方软土地基快速填筑时的差异沉降发展趋势和超孔隙水压力的大小。王志斌等［7］通过对斜坡地基上加筋填方路堤与未加筋填方路堤室内模型试验结果进行对比分析，指出加筋能提高斜坡地基上填方路堤的极限承载力。史永宏［8］基于FLAC3D数值模拟证明了FLAC3D在土石填料路基沉降研究中的可行性；张博雄［9］利用FLAC3D对斜坡地基高速公路路基差异沉降进行模拟，并找出其影响因素和变化规律。

本文基于FLAC3D建立斜坡路基段模型进行数值模拟，并通过与现场实测沉降数据进行比对，验证所建立模型的可靠性。并在此基础上，研究了铺设土工格栅对斜坡路基差异沉降的控制效果。

1　斜坡路基差异沉降模型建立及验证

1.1模型建立

本文采用FLAC3D程序对斜坡路基工后沉降变形进行研究。FLAC3D是一种三维快速拉格朗日分析程序，能够较好地模拟材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学特性。它可以模拟岩土或其他材料的三维力学特性。这种算法非常适合模拟大变形问题［10］。

本文选取某客运专线截面斜坡特征明显，路基横向填土高度差异较大，具有斜坡路基的代表性的路基断面进行模拟计算，将试验断面分为三个部分，分别是原地基土、路基填土和桩板墙。由设计文件可知原地基土为砂质板岩，路基填土为A，B组填料，桩板墙的主要结构为C35混凝土，这些材料设定其本构模型为摩尔库仑模型，因为在FLAC3D中摩尔库仑这一本构模型适用于松散胶结的颗粒材料，如土壤、岩石、混凝土等，能够反映普通土壤和岩石的力学行为。参考相关文献及设计文献［7］，得出各材料的力学参数如表1所示。

表1　材料力学参数表

提取试验截面地基土、路基填土和桩板墙的尺寸，在FLAC3D中建立与该断面相似的计算模型（见图1），并划分单元，设定边界条件与外力条件来展开计算。

图1　斜坡路基截面计算模型

1.2模型验证

现场数据监测方案为：前30天每隔10 d记录一次路基顶面关键点的沉降值，在30 d后每隔30 d记录一次路基顶面关键点沉降值，得到的沉降数据记录为表2（限于篇幅仅列出半年数据），沉降曲线见图2。同时，在FLAC3D中计算路基模型完成填筑后360 d的工后沉降，取路基顶面中点、距路基中点左侧5 m、距路基中点右侧5 m三个点为关键点，由左到右依次编号为点1、点2、点3，由此保证与监测关键点的一致，沉降的模拟结果见图3。

从图2现场监测沉降数据可以看出，路基在填筑完成后一个月内沉降发展较快，平均沉降值为1.52 mm，能够达到工后总沉降值的30%以上，路基三个月的沉降值发展较快，之后路基沉降缓慢发展，填筑完成十个月后路基的总体沉降情况趋于稳定，总体沉降平均值为3.17 mm。从图3模拟结果图可看出，路基在填筑完成后一个月内沉降发展更快，且在三个月左右达到总沉降的90%以上。

表2　试验断面路基顶面关键点沉降数据表　mm

图2　试验断面关键点现场监测数据图

图3　试验断面关键点模拟结果图

进一步将得到的计算结果与监测结果对比，首先在总体上模拟计算与实际沉降过程保持一致，均为在填筑完成后沉降发展较快，沉降的差异性同时得到发展，最后路基的沉降发展达到稳定，整个截面的差异沉降也趋于稳定。其次，在沉降和差异沉降发展过程中，数值计算得到的结果和监测结果在数值上的表现也较为一致，虽然在沉降发展初期模拟计算到的结果较为保守，约为实际监测值的50%，但随着沉降的进一步发展，沉降发展稳定后模拟计算得到的数据较实际监测值稍大，能够指导工程实际。

2　土工格栅对路基差异沉降的控制

为了验证在路基填土不同部位铺设土工格栅控制路基差异沉降的效果，利用FLAC3D模拟试验断面在设计文件即地基力学条件良好、斜坡坡度1∶1.30、填土高度10.5 m的条件下铺设抗拉强度为30 kN/m的聚丙烯双向塑料土工格栅后路基顶面的总体沉降及差异沉降值，进而分析在路基不同部位铺设土工格栅能否控制工后差异沉降发展。

2.1模型参数选取

FLAC3D中每个土工格栅结构单元的力学性能可以分成格栅材料的结构响应和格栅构件与网格的交互作用方式，可以把土工格栅想象成是一维索的二维物，一般用来模拟看作与土体相互剪切作用的柔性薄膜［11，12］。

计算中土工格栅的关键参数有弹性模量E；泊松比ν；厚度t；耦合弹簧内聚力c，指格栅与土体的应力，N/m2；耦合弹簧的摩擦角φ，（°）；耦合弹簧单位面积上的刚度k，指在受力时抵抗弹性变形的能力，N/m3。

试验模型中的格栅力学所有参数见表3。

表3　土工格栅力学参数表

2.2模拟试验结果与分析

在桩侧填土铺设土工格栅的方法为桩顶以下至基底每隔0.6 m满铺一层抗拉强度为30 kN/m的双向土工格栅。在计算软件中模拟试验断面铺设土工格栅，见图4，图中圈住的横线表示土工格栅。并计算路基工后沉降为时一年的路基顶面关键点的发展，并与未铺设土工格栅的沉降情况对比。

整理计算结果并绘制桩侧填土铺设土工格栅后的沉降发展曲线，见图5。与未铺设土工格栅的路基沉降曲线对比图见图6。

图4　桩侧填土铺设土工格栅示意图

图5　铺设格栅后关键点沉降发展曲线

图6　铺设土工格栅前后关键点沉降对比曲线

由图5可知，填筑完成后初期沉降发展较快，工后沉降发展一个月后的均值为1.455 mm，沉降差异值为0.781 mm，工后沉降发展一年后的沉降均值为2.949 mm，沉降差异值为1.024 mm。可见一个月后的工后沉降均值为一年后沉降均值的50%，一个月后的差异沉降为一年后差异沉降的76%。

由图6可知，路基整体的工后沉降与铺设土工格栅时的发展趋势保持一致。与铺设土工格栅时的路基沉降数据进行对比：铺设土工格栅的工后沉降在稳定后的均值为2.949 mm，未铺设土工格栅的均值为3.173 mm，铺设土工格栅后工后沉降均值减小了8%；而在差异沉降方面，铺设土工格栅条件下，工后沉降稳定后的差异沉降值为1.024 mm，未铺设土工格栅的差异沉降值为1.514 mm，差异沉降值减小了33%，差异沉降的控制效果明显。

由以上分析可得，在斜坡路基段铺设土工格栅，能够减小路基的工后沉降值，并可有效地控制斜坡路基的差异沉降。故铺设土工格栅可作为控制斜坡路基段差异沉降的有效措施。

3　结语

本文基于FLAC3D建立斜坡路基段模型进行数值模拟，并通过与现场实测沉降数据进行比对，发现数值模拟结果和实测数据具有相同的变化趋势且数值相近，从而证明了所建立模型工程方面的可靠性。并基于此斜坡路基模型，模拟斜坡路基在铺设土工格栅情况下一年内的差异沉降控制效果。验证了铺设土工格栅能控制斜坡路基的差异沉降，且铺设土工格栅后差异沉降相较未采取控制措施的差异沉降值减小了33%，差异沉降的控制效果明显，故铺设土工格栅可作为控制本斜坡路基段差异沉降的有效措施。

参考文献：

［1］张永清.山区高速公路路基差异沉降特性与控制措施研究［D］.西安：长安大学，2009.

［2］赵建伟.山区高速公路路基差异沉降数值分析［J］.筑路机械与施工机械化，2010，27（9）：39-41.

［3］吴岭.软土路基加固效果及沉降变形数值模拟研究［D］.西安：长安大学，2013.

［4］谢永利，俞永华，杨晓华.土工格室在处治路基不均匀沉降中的应用研究［J］.中国公路学报，2004，17（4）：7-10.

［5］颜春.填方路基不均匀沉降原因分析及处治措施［J］.重庆交通大学学报（自然科学版），2003，22（1）：63-68.

［6］龙海涛，李天斌，孟陆波，等.高填方软土路基快速填筑沉降监测规律及FLAC3D模拟［J］.四川建筑科学研究，2012，38 （4）：156-159.

［7］王志斌，李亮，邹金锋，等.斜坡地基上加筋路堤工作性状及稳定性研究［J］.岩土力学，2008（8）：2189-2192.

［8］史永宏.基于FLAC3D的土石混填路基沉降特性计算分析［J］.湖南交通科技，2015，4（2）：24-28.

［9］张博雄.斜坡地基高速公路路基修筑关键技术研究［D］.石家庄：石家庄铁道大学，2012.

［10］闫澍旺.土工格栅与土相互作用的有限元分析［J］.岩土工程学报，1997，19（6）：56-61.

［11］钱劲松，凌建明，黄琴龙.土工格栅加筋路堤的三维有限元分析［J］.同济大学学报，2003，31（12）：1421-1425.

［12］潘樾富，段晓沛.路堤桩板式挡土墙的振动台试验研究［J］.铁道工程学报，2012（3）：35-39.

The slope sub-grade differential settlement modeling and control measures based on FLAC3D

Dou Peng
（Railway Third Survey and Design Institute Group Limited Company，Tianjin 300142，China）

Abstract：This paper made numerical simulation based on FLAC3Dto establish the slope sub-grade segment model，through the comparing with the field measured settlement data，proved the reliability of model，based on this，simulated and analyzed the control effect of laying geogrid to sub-grade differential settlement，the results showed that laying geogrid could effectively reduce the differential settlement of slope sub-grade，provided the reference basis for slope sub-grade difference control.

Key words：slope sub-grade，FLAC3D，differential settlement，numerical simulation，geogrid

中图分类号：U416.1

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）06-0150-03

收稿日期：2015-12-11

作者简介：窦鹏（1989-），男，助理工程师