填筑高度及荷载作用下路基变形数值分析

【摘 要】施工过程中各工序的質量控制会影响路基工程的稳定性、安全性，因此必须加强施工中的质量控制，满足设计要求。路基填筑过高及荷载过大会使路基产生沉降及水平位移，影响边坡稳定性、安全性，为了研究路基填筑高度及荷载对路基变形的影响，通过FLAC3D软件建立路基模型，分别进行不同条件下数值模拟，研究结果表明：路基沉降随填筑高度和荷载的增加均呈线性关系增长，并总结得出路基沉降与填筑高度及荷载的关系式;坡肩水平位移随填筑高度和荷载的增加均呈线性关系增长，并总结得出坡肩水平位移随填筑高度及荷载的关系式。

【关键词】FLAC3D软件;填筑高度;荷载;路基沉降;坡肩水平位移

【中图分类号】U416 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2020）10-0099-04

0 前言

随着我国经济的快速发展，公路道路工程日益增多，公路建设也推动了经济的发展，交通量逐年增加，对路堤稳定性、安全性的要求也在逐步增加[1-3]。路堤填筑体沉降是在路堤填筑完成后自身重力及交通荷载作用下产生的压密和侧向变形，路堤填筑高度和交通荷载作用下会产生附加变形，主要表现为施工后沉降及不均匀沉降，导致路面结构层破坏及路堤滑坡，影响公路工程的性能和寿命[4-6]。土体沉降主要包括主固结沉降、次固结沉降、瞬时沉降，沉降分析方法主要有分层总和法、实测沉降预测法、数值模拟法[7-9]。马林等人通过FLAC3D研究重载作用下的路基变形，得出荷载水平对路基沉降的影响程度比填土高度大[5]。宋忠平等人研究武广客运专线路基沉降与地基处理的关系[10]。薛新华等人通过ABAQUS软件研究高填方路堤沉降变形特性，得出了路堤沉降随填筑高度增加而增大[11]。本文以某地铁车站疏解路为研究背景，采用FLAC3D软件分析路基填筑高度及荷载对路基沉降和坡肩水平位移的影响，总结得出路基沉降和坡肩水平位移与填筑高度及荷载的关系式，为本工程施工提供参考价值。

1 工程概况

1.1 工程简介

松山湖站是东莞市城市轨道交通1号线第17座车站，位于松山湖景区新城路与沁园路交汇处西侧绿岛内，为地下二层双岛式站台，呈南北向布置，与规划3号线同台换乘，并设置联络线，总长度为404.1 m，标准段宽度为49.9 m，采用明挖法施工。

新城路西侧机动车道及人行道在结构施工场地，需要临时占用，根据“占一还一”的原则，需在新城路西侧新修建由北向南的交通疏解道，道路等级为城市主干路，设计车速为60 km/h，由左向右为0.5 m坡肩+3 m人行道+14 m机动车道，采用水泥混凝土路面。交通疏解道平面图如图1所示。

1.2 工程地质

松山湖站属于剥蚀残丘地貌，地表层局部可见第四纪沉积层，厚5～16 m，大部分表层出露风化残积黏性土，地形地貌比较开阔平缓，坡度一般在10°以下，水系不发育，接近准平原化。拟建工程场地区域内人工填土广泛分布，主要为回填的黏性土、砂土、碎石、生活垃圾等，人工填土层平均层厚度为4.13 m。

2 路基填筑质量控制

2.1 施工前准备

施工前，技术人员进行施工现场勘查、分析图纸，编制施工计划，选择级配良好的砾类土、砂类土等粗粒土作为填料，配备好机械设备。对施工范围内原地面表层草皮、树木、腐殖土及生活垃圾等进行清理，将影响施工的附属物及时拆除。科聚三路南北两侧各有一处鱼塘，需进行抽水、清淤换填工作。测量队对路基导线点、水准点进行放样。

2.2 清淤换填

科聚三路北侧鱼塘存有积水，对交通疏解道施工影响较大，施工前须抽干鱼塘内的水，清除鱼塘底的淤泥，换填1 m厚碎石，分层填筑碎石，采用压路机进行挤压密实，再分层填筑土石方。

2.3 分层填筑

控制好填料的含水率，现场测得填料的含水率为18%，在填筑过程中分层填筑、分层碾压，路床以下每层填筑厚度为50 cm，路床以上每层填筑厚度为30 cm。分层填筑时通过水准仪每10 m控制路基标高及纵横向坡度，路基弧线走向时每5 m控制填筑标高，每层铺宽超过路堤设计宽度为50 cm，以保证完工后的路堤边缘有足够的压实度。

2.4 路基平整、压实

先使用推土机、挖掘机初平，然后采用平地机进行精平，保证纵横向坡度为2%，待填筑面平整后采用18 t振动压路机在最佳含水率±2%时进行碾压，碾压时先轻后重、先慢后快、轮迹重叠，碾压顺序：直线段先碾压路基边缘，后碾压路中，曲线段先碾压内侧，后碾压外侧，轮迹重叠轮宽的1/3～1/2，碾压4～6遍，达到无漏压、无死角，碾压完成后经基底检测压实度合格后方可进行继续填筑。

2.5 边坡防护

按设计要求进行路堤边坡防护，填筑高度小于3 m时直接植草防护，填筑高度大于3 m小于6 m时，采用三维网植草防护方案，边坡坡率为1∶1.5。

施工前进行技术等相关方面的准备，施工过程中控制好每道工序质量保证路基完成质量。分层填筑压实后试验测得压实度均在96%以上，路堤完成后测得填筑高度1.6 m、2 m、2.4 m、3 m、3.6 m、5 m的坡率分别为1∶2.02、1∶1.67、1∶1.76、1∶1.50、1∶1.56、1∶1.54，满足设计要求。边坡防护如图2所示。

3 数值模拟分析

3.1 数值模型

FLAC3D是由Itasca公司研发的连续介质力学分析软件，率先将连续体快速拉格朗日分析法应用于岩土工程问题上，能够准确地模拟土质等材料的三维结构受力特性和塑性流动[12]。

根据现场实测数据及实际情况，数值模拟时路基填筑高度分别为1.6 m、2 m、2.4 m、3 m、3.6 m、5 m，坡率均为1∶1.5。根据路面折减效应及参考相关经验[4]，荷载分别为20 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa、60 kPa。填筑高度为5 m时，数值模型如图3所示，深色部分为路基，浅色部分为地基，路基顶面宽度为17.5 m、底面宽度为25 m，地基高度为10 m，地基宽度为35 m，沿Y轴长度为10 m。固定约束地基底面、四周位移，路基顶面不约束，模型共划分38 000个网格单元，42 021个节点。

3.2 物理力学参数

根据地质勘探钻孔取样试验得出地基物理力学参数，填筑土体及地基物理力学参数见表1。

3.3 数值模拟

分别进行不同荷载、不同填筑高度条件下路基变形数值模拟，本文只列出荷载为50 kPa，填筑高度为1.6 m、2 m、2.4 m、3 m、3.6 m、5 m时的数值模拟云图（如图4所示）。

由图4分析可知，荷载不变时，随着路基填筑高度的增加，沉降量也在逐渐增加。

3.4 填筑高度及荷载对路基沉降影响

在相同条件下分别进行其余荷载时不同填筑高度的数值模拟，通过origin软件得出填筑高度及荷载对路基沉降的影响（如图5所示）。

由图5分析可知，不同荷载条件下，路基沉降量随填筑高度增加的规律基本一致，均近似呈线性关系增长。路基沉降量与填筑高度的关系通过origin擬合可用如下线性公式表达。

S=AH+B （1）

公式（1）中，S为沉降量，mm;A和B是与荷载有关的参数;H为填筑高度，m。由路基沉降量与填筑高度数据拟合得出A和B的参数值（见表2）。

对表2中的A、B参数分别进行拟合得出其关于荷载P的公式如下。

A=0.103 8P+0.084 7 （2）

B=1.014 6P+0.178 （3）

公式（2）、公式（3）的回归系数分别为99.91%、100%，由此可见，这两个关系式可以很好地表达参数A和B与荷载P的关系。将公式（2）、公式（3）带入公式（1）得到路基沉降与填筑高度及荷载的关系式。

S=（0.103 8P+0.084 7）H+1.014 6P-0.178 （4）

3.5 填筑高度及荷载对坡肩水平位移影响

总结分析数据，得出填筑高度及荷载对坡肩水平位移的影响（如图6所示）。

由图6分析可知，不同荷载条件下，坡肩水平位移随填筑高度增加的变化规律基本一致，均近似呈线性关系增长。坡肩最大水平位移为23.09 mm，属于安全可控范围，边坡稳定可靠。

坡肩水平位移与填筑高度的关系通过origin拟合可用如下线性公式表达。

W=CH+D （5）

公式（5）中，W为水平位移，mm;C和D是与荷载有关的参数;H为填筑高度，m。由路基沉降量与填筑高度数据拟合得出C和D的参数值（见表3）。

对表3中的C、D参数分别进行拟合得出其关于荷载P的公式如下。

C=0.068 7P-0.788 （6）

D=0.075 3P+1.13 （7）

公式（6）、公式（7）的回归系数分别为97.63%、95.61%，由此可见，这两个关系式可以很好地表达参数C和D与荷载P的关系。将公式（6）、公式（7）带入公式（5）得出坡肩水平位移与填筑高度及荷载的关系式。

W=（0.068 7P-0.788）H+0.075 3P+1.13 （8）

4 结语

（1）施工前做好技术准备，选备好合适的填料，控制好含水率，施工过程中严格进行分层填筑、分层碾压，待压实度合格后再填筑下一层，并做好护坡防护，满足设计要求。

（2）路基沉降随填筑高度及荷载的增加均呈线性关系增长，总结出路基沉降与填筑高度及荷载的关系式。

（3）坡肩水平位移随填筑高度及荷载的增加呈线性关系增加，总结出坡肩位移与填筑高度及荷载的关系式，坡肩位移较小，边坡稳定性和安全性较好。

参 考 文 献

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