丹金高速常州段软土路基沉降规律数值模拟计算及计算精度分析

吴叶群

摘 要：针对软土路基段孔隙率大、稳定性差，新建高速公路路基沉降大，为了研究新建高速公路在软土地质区域的沉降分布规律，本文以丹阳至金坛高速公路常州段为研究对象，借助FLAC三维有限元计算软件，采用数值模拟计算了实例工程的沉降分布，研究了实例工程天然路基段和复合路基段的分布规律，研究结果显示：复合路基段的地质条件比天然路基段要恶劣。但通过水泥搅拌桩加固等方法处理后，沉降值要远小于天然路基段。加固方式合理有效。

关键词：软土路基;沉降大小;计算精度;三维数值模拟

中图分类号：U416.1 文献标识码：A

0 前言

在高速公路的结构体系中，路基是承受路面及车辆荷载，并传递至基础的关键部分，由于软土层孔隙率含水率高、可压缩性大、稳定性与强度差，进一步突出了路基稳定性与沉降量的问题。精确计算拟建高速公路的路基沉降量，并针对性地提出相应措施，是科学判断工程可行性，合理制定设计、施工方案的重要保障。

本文以新建丹阳至金坛高速公路常州段为对象，探讨三维有限元模拟计算在软土路基沉降计算中的应用。

1 实例工程概况

1.1 穿越点概况

丹阳至金坛高速公路是《江苏省高速公路网规划（2017―2035年）》中新增的纵向高速公路，是江苏省规划“十五射六纵十横”高速公路网中“纵三”阜宁至宜兴高速公路的重要组成部分，编号为S35。起自与沪蓉高速公路交叉处的丹阳新区枢纽，北接已建的镇江至丹阳高速公路，向南经丹阳东、珥陵、武进西、金坛东，止于与沪武高速公路交叉处的金坛经开区枢纽，接已建的常州至溧阳高速公路，路线全长约42公里，其中丹阳段29.8公里、常州段合计12.2公里（武进区约3.5公里，金坛区约8.7公里）。

1.2 地层岩性及地基处理方式

根据本工程收集资料，本工程场地约25.00 m深度范围内所揭露的地基土层均属第四纪全新世Q43～晚更新世Q31的沉积层，主要由黏性土、粉性土和砂性土组成。根据实测资料，本工程段的地层岩性以江阴站为可分为两段。

（1）天然地基段（K+000～K3+225）。地层共分为5层，最上层为5.43 m厚的砂土，渗透系数较大，易坍塌，在一定的水动力条件下，可能产生流砂、管涌等现象，对本工程的管涵基槽开挖可能会产生一定的影响;其次为粉质粘土，厚4 m，再往下分别为4.7 m厚的淤泥质土、4 m厚的粉质粘土及1.2 m厚的粉土。

（2）复合地基段（K3+225～K7+113）。地层分为5层，从上至下依次为0.5 m厚的砂垫层、3.7 m厚的粉质粘土、5.9 m厚的淤泥质粘土、9.6 m厚的粉质粘土和1.8 m厚的细砂。由于采用水泥搅拌桩加固，因此最上层需再覆盖4.1 m厚的填土。

2 模型边界与参数设定

借助FLAC三维有限元计算软件，采用数值模拟计算方法研究实例工程穿越过程中，地基沉降的大小和分布范围变化。

2.1 初始条件与边界条件

在本文研究范围内，初始时刻满足以下条件：

（1）

在式中，为初始水位值、为初始竖向应力、为初始孔隙水压力。

3 模型计算结果分析

3.1 天然路基段

丹阳至金坛高速公路常州段K0+000～K3+225段为天然路基段。经计算可知：

（1）施工第530天（施工完成后第85天）天然路基段达到最大沉降，此后沉降量稳定，不再增加。

（2）主要沉降区域发生在②淤泥质土及③粉质粘土区域，这两个土层区域的沉降值在30.12 cm～47.60 cm范围内。砂土层的沉降值为12.15 cm～22.48 cm;①粉质粘土的沉降值为22.0 cm～30.5 cm;④粉土的沉降值为24.2 cm～33.6 cm。

（3）路基沉降达到最大值出现在K1+660断面，最大沉降值为47.60 cm。

3.2 复合地基段

采用理想的本構模型，桩与土均看做是均质、同性的材料。符合地基的网格划分及桩基受力情况见图1。

（a）第一级荷载加载后（第120天）

（b）第三级荷载加载后（第190天）

（c）最大地基沉降分布（第542天）

丹阳至金坛高速公路常州段K3+225～K7+113段为复合路基段，沉降计算结果见图2。经计算可知：

（1）施工第542天（施工完成后第93天）天然路基段达到最大沉降，此后沉降量稳定，不再增加。

（2）主要沉降区域发生在砂垫层、①粉质粘土和②淤泥质土，沉降值在15.2 cm～27.0 cm范围内。填土层的沉降值为5.2 cm～15.3 cm;③粉质粘土的沉降值为5.8 cm～10.6 cm;细砂层的沉降值为0.5 cm～7.1 cm。

（3）路基沉降达到最大值出现在K3+020断面，最大沉降值为27.0 cm。

4 结论

为了研究新建高速公路在软土地质区域的沉降分布规律，本文以丹阳至金坛高速公路常州段为研究对象，借助FLAC三维有限元计算软件，采用数值模拟计算了实例工程的沉降分布，研究了实例工程天然路基段和复合路基段的分布规律。本文研究结论可为同类工程的计算、应用提供参考。

参考文献：

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