片石软基处理下涵洞应力位移特性数值分析★

罗克文 张 潭 蔡宇鹏 陈 佳

(1.广西壮族自治区玉林公路发展中心，广西 玉林 537000； 2.长沙理工大学交通运输工程学院，湖南 长沙 410114)

0 引言

为减少公路工程对环境的不利影响，以及方便自身排水设计的要求，结构物所占据的比例越来越大。而在软土上修建涵洞，易发生不均匀沉降，导致涵洞横向开裂破坏甚至大角度倾斜，并且在深厚的软基地带，涵洞沉降难以预料，严重时使涵洞沉入地下而无法过水，产生废涵，软土地基处理是影响公路工程建设质量的关键。采用片石对软土地基进行处理加固是工程中常用的一种方法，如抛石挤淤法。王艳芳等[1]通过现场检测及监测，以及进行室内离心模型试验，表明抛石挤淤法可提高路基强度。任志彬[2]提出抛石挤淤法能够成功应用于流塑状高灵敏度的淤泥软土等特殊地质条件。姜景山[3]深入研究抛石挤淤法的加固机理，对抛石挤淤法处治软土地基后的路基应力状态进行分析。苏春晖[4]提出了在片石夯压加固法的影响范围内，软土地基承载力满足设计要求。蒲文明[5]提出了通过压填片石技术加固软土地基，提高路堤稳定性的加固技术。郑俊杰等[6]通过分析高填方涵洞应力特征，提出了确定涵洞地基承载力容许值的方法。康佐等[7]通过离心模拟试验对涵洞工程填筑体的应力状态进行模拟，分析涵洞结构的破坏机理。陈保国等[8]通过分析高填方刚性涵洞的地基承载力，探讨涵洞地基承载力受到软土固结、埋深与宽度效应的影响。郑俊杰等[9]通过对高填方涵洞应力状态进行数值模拟，分析高填方涵洞竖向压力的分布特征和变化规律。刘保健等[10]对涵洞方法工程的地基承载力与基础的设计提出了新建议。上述专家作者大多数提出了软基处治方法，以及通过数值模拟的方法对涵洞的应力状态进行分析。本文为了能够更好地研究片石软基处理下涵洞应力特性，以某高速公路的实际情况为背景，采用数值模拟的方法对片石软基处理下涵洞应力位移规律进行探究,分析片石处治后软土地基沉降与涵洞受力特性。

1 片石软基处理

1.1 抛石挤淤原理

抛石挤淤是指通过利用专用的施工机械设备将具有一定规格、材质较为坚硬、外观与力学性都能够满足公路工程建设设计要求的片石材料，从一定高度将片石材料抛投至含水率极高的淤泥软土地基上，使得片石能够将淤泥质软土挤出并且占据其位置。残余淤泥能够较好地将片石粘结在一起，形成以片石为承重的填筑体，从而提高地基承载力，减小沉降，提高土体的稳定性。采用分层抛填碾压法进行抛石挤淤施工，使淤泥质土结构发生整体剪切破坏，在碾压过程中使得抛填片石材料重新进行排列组合，形成新的结构层。并且这种施工方法无需抽水挖淤，淤泥中的水从片石之间的缝隙排出，使得软土地基中的超孔隙水压力逐渐减小，有效应力逐渐增大，加速软土地基固结，增加软土地基的结构强度，提高软土地基整体稳定性。

1.2 施工要求

进行抛石挤淤施工时宜采用不易风化的片石材料。在较为平坦的软土层，应沿路中线向前抛填片石，逐渐向两侧延伸。在易于流动的泥炭或淤泥软土地质条件，应采用粒径不小于30 cm的片石，采用粒径小于30 cm的片石含量不得超过20%。在软土层横坡坡度陡于1∶10进行抛石挤淤施工时，应从高侧往低侧进行抛投，在低侧边缘位置多抛投片石材料，使得在低侧边缘位置填筑起宽度约为2 m的平台顶面。当抛投的片石露出软土层表面，对其抛投片石产生的空隙宜采用较小的石块进行填塞垫平，使用重型机械进行碾压，然后在其上设置反滤层，再进行填筑。

2 模型及参数

2.1 模型建立

本节针对圆管涵破坏情况进行数值模拟，结合实际加载情况对圆管涵的受力状况进行模拟，模拟部分以路堤的中心线为准为对称的结构，现取其中的一半为研究对象对其进行数值模拟。空间坐标系的建立，坐标原点、X轴、Y轴、Z轴的方向分别设定如下，坐标系原点坐标O(0，0，0)设置在圆管涵的基础线和中心线的交点处，X轴的正方向为右、Z轴的正方向为竖直向上，垂直于分析平面的方向为Y轴方向。

在进行圆管涵现场实际模拟时，其尺寸取值为从路堤中心线取到路堤以外80 m，即路堤的坡脚沿着垂直于路基方向取50 m，圆管涵外径为1.5 m，圆管涵的壁厚为0.1 m，圆管涵的涵顶填土高度为8.7 m，划分网格4 491个单元。模型分析示意如图1所示。

网格建立以后，首先设置边界条件。在该模型中，边界节点的速度限制，相当于在边界两侧的边界值受到限制。而模型中存在的零模型在模拟过程中，初始应力的计算和节点的位移和速度被清除，利用弹性求解的方法不能得到初始应力，因此，它是用来解决弹性和塑性的。本例中路基高度为8.7 m，高度方向共划分了7(9)个单元。

2.2 模型参数

当在软土上建设涵洞等构造物时，均会发生沉降和侧向变形，此类沉降、变形必须控制在规范要求之内。且地基处理效果直接影响到涵洞的受力状态。采用 FLAC3D有限差分软件对软基沉降以及涵洞受力状态进行分析。模型中采用的各参数见表1。

表1 各材料模型参数

3 计算结果分析

3.1 竖向位移

圆管涵修筑于软土地基上，当软土地基发生沉降时会导致软土地基与圆管涵的协同受力现象，软土地基的沉降是否均匀，将会直接导致圆管涵产生应力集中与应力分散。所以本节将根据工程现场实际加载情况通过数值模拟的方法对圆管涵的受力状况及观测点受力大小进行分析研究，分析圆管涵破坏的原因。

工程现场采取了等速较快的加载模式，因此，进行数值模拟计算采用等速较快的加载模式，等速加载的加载速率为0.5 m/d。对此，根据工程现场实际情况对模拟对象进行分析，如图2所示。

通过加载过程图可以看出，圆管涵侧的软土地基沉降发生于路堤的表面，因为此时加载高度小，也就是其上作用的荷载比较小，沉降发生在地基表面。圆管涵的存在对其周围土体产生了应力分散，减小了圆管涵其周围土体的沉降，但由于此原因造成了周围土体对圆管涵的应力集中现象，导致圆管涵承受的荷载增大。

3.2 侧向位移

对于圆管涵侧向位移图分析，图3为涵侧软土地基在涵顶填土高度为8.7 m时软土地基路堤的侧向位移图。

由图3可见，软土地基的侧向位移由路堤的坡脚处垂直向下延伸，在软土地基内部的侧向位移将随深度增大而逐渐增大，但到达了一定深度之后，随深度的增加而减小。

3.3 垂直土压力分布

数值模拟针时对圆管涵上的应力观测点的垂直土压力进行分析，圆管涵各应力观测点的位置如图4所示。

通过数值模拟软件对工程现场圆管涵实际加载过程进行模拟，对圆管涵其上各应力观测点所承受的垂直土压力进行分析。发现在加载过程中，圆管涵受到了附加应力，且在圆管涵上出现应力集中现象。当应力集中导致圆管涵的破坏后，圆管涵随加载高度继续增大其应力出现了重新分布现象。此现象是经过应力观测点1～观测点6获得的反应。三维数值模拟中圆管涵各应力观测点随加载高度的增加其垂直土压力分布如图5所示。

由图5可见，应力观测点1与应力观测点3处的垂直土压力在三维数值模拟过程中其模拟值对称分布，受力大小及受力状况一致，圆管涵其上附加土应力现象表现的十分显著；应力观测点4与应力观测点6处在加载(软件运行到3e5STEP)时圆管涵中部的侧面，即应力观测点6出现了应力集中现象，其数值模拟出来的垂直土压力值特别大，但在第四层加载后出现了模拟的垂直土压力突然减小，随着加载高度的增大又继续增大的过程。这时垂直土压力在圆管涵上出现了重新分布的现象。在加载过程中应力值出现了突变，说明此时圆管涵已发生了破坏。

4 结论

基于有限差分软件对片石处理软基下的地基沉降及涵洞应力状态进行分析，得出如下结论：

1)加载高度较小时，经片石处理后的软土地基沉降主要发生于地基表面。当加载到一定高度后，由于圆管涵对土体的应力分散作用，使得土体最大侧向位移距离软土地基地表面具有一定的深度。

2)由于圆管涵与上部回填土、软土地基之间弹性模量差异过大，圆管涵自身所承受上部荷载增大，其周围土体出现应力分散现象，从而降低其周围软土地基的沉降。

3)圆管涵在其加载过程中受到了应力集中现象，当应力突变导致了圆管涵的破坏后，圆管涵其上加载高度继续增大其应力出现了重新分布现象。