软土路基沉降的实测及有限元分析

潘吉祥,潘益民，黄　隆

(1.浙江象山经济开发区管委会,浙江 宁波 315700；2.宁波市岩土工程有限公司,浙江 宁波 315012;3.浙江工业大学工程设计集团有限公司，浙江 杭州 310001)



软土路基沉降的实测及有限元分析

潘吉祥1,潘益民2，黄隆2

(1.浙江象山经济开发区管委会,浙江 宁波 315700；2.宁波市岩土工程有限公司,浙江 宁波 315012;3.浙江工业大学工程设计集团有限公司，浙江 杭州 310001)

工后沉降是软土地区道路工程建设时最关心的问题,而地基变形计算和沉降预测是工后沉降控制的关键。象山滨海相沉积软土本构模型采用剑桥修正渗流耦合模型,通过PLaxis有限元程序进行沉降计算,并与实测数值进行比较,得出了较好的拟合结果,可作为类似地质条件的道路沉降预测的参考。

软土路基；沉降；实测；有限元

象山县域位于东海之滨,城市建设区的主要地貌为典型的滨海相沉积平原,场地分布有巨厚的软土层,厚度从十几米到几十米不等。近十几年来随着经济社会的发展和城镇化进程的推进,城区日趋扩展,市政道路等基础设施建设成为拉大城区框架的主要手段。工后沉降是软土地区道路工程建设时最关心的问题,而地基变形计算和沉降预测是工后沉降控制的关键。设计时不能准确地预测沉降、未采取有效的地基处理措施从而导致道路建成后工后沉降过大,引起桥头跳车、路面沉陷、地下管线拉断等现象时有发生。

本文通过Plaxis有限元程序对象山某市政道路的固结沉降进行数值模拟,并与实测数据进行比较,得出了较好的拟合结果,从而为类似地质条件的道路沉降预测提供了参考。

1　工程概况

某市政道路工程为象山经济开发区的主干道,东西走向,道路宽度为60 m,其标准横断面见图1,设计路面标高为4.27～5.41 m,其中K0+210处路面标高约4.85 m。该处原地坪标高约2.85 m,道路结构从上到下分别为：160 mm沥青混凝土+400 mm 5%水泥碎石基层+200 mm细宕渣找平层+1 200 mm路基宕渣层。

场地地貌属第四系海积平原,地形平坦,场地原为耕地,清除耕作层后的场地标高约2.75 m,K0+210处土层分布依次为：①粉质黏土,厚1.0m,灰黄色或灰黄夹灰绿色,呈软可塑状态；②淤泥质粉质黏土,厚14.0m,灰色,呈流塑状态；③粉质黏土,厚度未揭穿,灰黄色,呈硬塑状态。根据岩土工程勘察报告,各土层的物理力学性质指标见表1。场地浅部地下水主要为孔隙性潜水,场地土层为微透水层,含水饱和,富水性差,渗透系数小,地下水位埋深约为1.0 m。

2　施工及沉降观测简述

本工程于2012年6月开工并完成基层约1.0 m厚的路基宕渣填筑,8月完成雨污等地下管线工程,11月底完成上层路基及路面浇筑并竣工,在上层路基施工的同时进行道路南北两侧的地块填方。路基及水稳基层采用200 kN振动压路机分层碾压,水稳基层及路面采用摊铺机分层施工,经检测,密实度、弯沉等指标均满足设计要求。

图1　道路标准横断面图

层号土层名称天然重度γ/(kN/m3)含水率W/%孔隙比/e塑性指数IP液性指数IL直剪固快C/kPaφ/(°)渗透系数水平kh/(cm/s)垂直kv/(cm/s)①粉质黏土18.828.60.84315.40.5227.012.92.2E-67.0E-8②淤泥质粉质黏土17.446.51.26616.31.2013.39.42.2E-71.3E-7③粉质黏土19.332.20.70314.60.2434.115.6

路基填筑前,埋设沉降板对施工期沉降进行观测,监测频率为7～15 d,路面浇筑时将沉降管堵塞废弃,浇筑完成后对该部位的路面沉降进行了长期观测,观测频率为6个月1次,观测结果见表2、表3。

表2　施工期沉降观测结果

表3　竣工后沉降观测结果

3　有限元模型

有限元数值模拟分析采用Plaxis程序,该程序[1]是荷兰Delft Technical University开发的专门用

于分析各种岩土工程问题的二维有限元计算软件,可分析变形、固结、分级加载、稳定分析、渗流等计算类型。

3.1几何模型

对K0+200道路断面进行有限元分析,模型建立时考虑路侧地块填方的影响,由于道路两侧沿中心线对称,因此只选择半幅道路进行模拟,路侧地块影响范围按30 m考虑,则模型宽度为60 m,深度取值时忽略下卧③层硬土层的影响,仅取至软土层底面,其模型简图见图2。

3.2材料属性

土体本构模型：Plaxis程序采用15节点三角形单元来模拟土体,根据本场地的地基性质,参考相关研究资料及工程经验[2],确定剑桥修正渗流耦合模型[3]作为①层粉质黏土和②层淤泥质粉质黏土采用的本构模型；路基和地块填方主要由山体开采的宕渣组成,其土体本构模型拟采用摩尔-库伦模型来模拟。根据试验研究结果和相关经验,各层模型参数如下：

①粉质黏土M=0.745,λ=0.071,κ=0.029,υ=0.30,ψ=0；

②淤泥质粉质黏土M=0.498,λ=0.145,κ=0.015 2,υ=0.35,ψ=0；

路基宕渣γ=20 kN/m3,c= 5 kPa,φ=35°,

E=25 000 kPa,υ=0.2,ψ=0；

地块填方γ=19 kN/m3,c= 5 kPa,φ=25°,

E=5 000 kPa,υ=0.2,ψ=0。

3.3加载及边界条件

初始条件： Plaxis软件需定义初始条件,包括场地初始应力和初始水压。初始应力条件指的是路基填筑前地基土自重引起的应力分布情况,初始水压指的是路基填筑前潜水位引起的场地水压分布情况。

边界条件：为方便计算,本模型按平面对称问题考虑,并根据工程特点,对此模型的位移边界按固定标准边界考虑：模型的左右边界的水平位移为零,但允许竖直方向位移；下边界的任意方向变形均为零,见图2。由于本模型仅为道路路幅的一半,其左边界作为对称线须关闭其固结边界,软土层底为微透水—不透水的粉质黏土层,其固结边界亦须关闭。

图2　有限元模拟模型简图

加载条件：根据道路的交通流量和车辆类型,道路建成后的主车道的路面荷载按25 kPa考虑,辅道按15 kPa考虑。本工程按4个工序来模拟加载及固结情况：第1步填筑高度为1.0 m;第2步采用3个月固结期来模拟地下管线的施工周期;第3步为上部1.0 m填高,路侧地块填方和产生路面荷载;第4步为固结分析直至最小孔压。

4　有限元模拟结果及实测分析

4.1位移场模拟结果及分析

图3　填筑1.0 m时的总位移云图

图4　地下管线施工结束时的总位移云图

图5　竣工时的总位移云图

图6　固结期结束时的总位移云图

各工序的总位移场模拟结果见图3～6,从图中可以看出：当填筑1.0 m后地基即产生了变形,最大总位移为59 mm,由于路侧地块未进行填方反压,路外地块土体向上隆起,路基坡脚处土体向外挤出,道路范围内土体位移以竖向为主,地基最大总沉降为51 mm；地下管线施工结束后,水平位移未发生明显变化,由于地基的固结作用,地基最大沉降值为61 mm；道路竣工时由于填方和路面荷载等因素,最大总位移和路面最大沉降值均为122 mm,地基最大总沉降位于主车道内,其值为119 mm,说明由于地块填方的反压作用约束了土体水平位移,沉降成为地基变形的主导因素；固结完成后最大总位移和路面最大沉降值均变为159 mm,地基最大总沉降为156 mm。

从模拟结果可以看出,第3和第4工序的路面沉降分别为122、159 mm,地基总沉降分别为119、156 mm,道路结构产生的沉降仅占路面总沉降的2.4%和1.9%,且竣工后的固结期内道路结构本身未进一步产生压缩变形,道路竣工时已产生了大部分地基变形。

4.2数值模拟沉降与实测结果对比

图7为K0+200断面的计算值与实测值对比,图中的沉降计算值为地面下15 m范围,从图中可以看出,计算结果和实测结果在变化趋势和沉降数值上均比较接近,说明有限元模型和参数取值较为合理,基本上可以反映实际情况。

图7　实测与计算沉降对比曲线

4.3长期沉降预测

图7的计算和实测曲线均表明,在道路填筑期间沉降发展较快,填筑完成后由于软土层的固结作用沉降仍在缓慢发展。图中的计算曲线为开工至地基固结完成的沉降计算结果,直至竣工后4年沉降趋于稳定,最终沉降量为156 mm。

5　结　语

本文对软土路基上的某市政道路的沉降进行有限元模拟和实测分析,总结了本地区软土地基的道路沉降特性,得出如下结论：

1)对于本地区软土厚度不大地段的低路堤道路,有限元分析时可采用剑桥修正模型进行沉降计算,其模型参数宜通过试验研究确定。

2)模拟结果表明,地基沉降约占路面沉降的97%,因此对于分层压实的宕渣路基,工程竣工后的路面沉降观测值基本能代表该部位的地基沉降值。

3)道路施工期间,沉降发展迅速,其沉降值占总沉降的大部分比例,竣工后沉降仍在缓慢发展,直至竣工后约4年,沉降基本稳定。

[1]北京金土木软件技术有限公司.PLAXIS岩土工程软件使用指南[M].北京:人民交通出版社,2010．

[2]陈建峰,秦建庆,石振明,等. 砂井地基沉降的二维有限元分析(二)——修正剑桥渗流耦合模型有限元及实例计算 [J].四川建筑科学研究, 2003(4):44-46．

[3]闫志军. 基于PLAXIS的软土路基沉降数值分析[J].中国科技财富, 2012(12):51-53.

Actual Measurement and Finite Elements Analysis for the Sedimentation of Soft Soil Subgrade

PANJiXiang1,PANYimin2，HUANGLong3

2016-06-15

潘吉祥(1976—),男,浙江宁波人,高级工程师,主要从事岩土工程设计咨询及工程管理工作。

TU433

B

1008-3707(2016)10-0031-04