交通荷载下碎石土回填路基沉降分析

金扬国 （中铁十六局集团第三工程有限公司，浙江 湖州 313000）

0 前言

碎石土作为一种经济、可靠的路基填筑材料被广泛应用于换填法中，用以提高地基承载力。徐文杰等对土石混合体概念进行了论述，认为对碎石土的研究需从土石阈值、土石强度特征、含石量及可视粒径四个角度展开。在对含石量的研究中，王春得、宁金成等通过直剪试验得出当含石量增加时，碎石土抗剪强度增大，内摩擦角也随之增大。陈美婷通过室内试验与PFC模拟两种手段，对土石混合体颗粒形状、接触面粗糙度与法向压力这三种重要因素研究其对接触面及接触面附近土石混合体的力学特性的影响。张强从细观结构层次出发，运用计算机随机模拟技术，建立了一种基于不规则块石的土石混合体三维细观结构重构方法，并基于FORTRAN语言开发了相应的三维细观结构随机模拟系统（RMS3D），在此基础上，考虑块石的不规则形状，建立了土石混合体的离散元模型，并采用颗粒流程序对其开展了不同法向应力下三维直剪试验模拟，探究了块石空间分布对其力学特性的影响。

本文结合苏州G312与G524节点工程项目，对碎石土路基进行ABAQUS有限元数值模拟，估计了路基沉降，可为类似项目提供经验指导。

1 工程概况

苏州G312与G524节点项目位于相城区东北部，是苏州市域快速路网的一部分，服务于G312、G524两条快速通道的交通量的快速转换，是沟通常熟、市区、工业园区及无锡的重要节点。改造路段为春申湖路以北至G312的部分，全长1.6km，主要为G312－G524节点枢纽，G524改造标准为高架双向六车道，地面道路双向六车道的一级公路。

拟换填场地下部地层自上而下为①-2填土层、①-3泥炭、淤泥质填土层、①-4淤泥质粉质黏土、②-2粉质黏土层、②-3粉质黏土夹粉砂层。其中黏土、粉质黏土为良好的天然地基基础持力层，粉质黏土为其较好的下卧土层。由于填土层土质不均匀，压缩性高，工程力学性质差，拟采用碎石土对其进行换填处理，保证路基沉降均匀稳定。

施工工艺流程见图1，拟换填用碎石土含石量35%，土料摊铺采用进占法全断面摊铺施工，摊铺松铺厚度为25cm。土料卸到工作面后，及时用装载机进行摊铺、平整。对所上土料现场取样实测含水量，控制在最优含水率-2%～+3%之间。如果含水量偏大，则用铧犁翻晒，如果含水量低于最佳含水量，则用洒水车补水，使含水量符合上述要求时方可开始碾压。推平完成后，对虚铺包芯料厚度进行检查，不符合要求，找出原因，然后进行补料或削减，保证摊铺宽度、厚度满足设计要求。

图1 施工工艺流程图

碾压机械为20T振动压路机碾压，轮印搭接不小于1/3轮宽。先静压2遍，然后开始振压，碾压第4遍结束后，开始检测压实度。碾压遍数、行走速度、激振力等参数见表1。碾压过程中要密切跟踪施工情况，如发现土体中出现漏压虚土层、干松土、弹簧土、剪力破坏或光面等不良现象，应根据具体情况进行处理后再进行下步工序施工。土料碾压完毕，取样检验合格、验收后才能进行下一层的填筑作业，不满足压实度要求的重新进行碾压。

碾压参数 表1

2 碎石土路基沉降分析

2.1 模型的建立与网格划分

基于项目碎石填料施工过程，利用ABABQUS有限元分析软件建立了二维模型，模型尺寸选为30（x）×13（y）。选取x轴方向为水平方向，y轴为深度方向。边界条件设为上表面为自由平面，下表面固定水平和竖直位移。考虑到计算的精度，土体采用C3D8R单元类型。

2.2 模型参数的确定

本文将土体划分为四层，模型采用摩尔库伦本构模型，各土层参数具体如表2所示。

模型各项参数 表2

2.3 数值模拟步骤

模型模拟的步骤为：

①创建各个部件，设置各个部件的参数并划分网格；

②设置土体的单元类型（C3D8R）并赋予材料属性；

③施加自定义荷载并设置土体的边界条件，最后平衡地应力；

④利用编辑好的车辆荷载子程序进行计算。交通荷载设置为550kN。

2.4 数值模拟结果

本文建立模型并在其表面施加动荷载，得到了土体沉降，本模型取一半对其分析。如图2所示。

图2 路基沉降图

将数据整理后，得到横断面沉降曲线（路基中心线横截面坐标为0，如图3所示。

图3 横断面位移沉降曲线

由图3可知，在路基中心线处，沉降曲线两端基本呈对称分布，其中两侧车轮处的沉降值最大，车辆中心处的沉降较两侧车轮处沉降要小。换填前，土体最大沉降为13.5mm，换填后最大沉降为1.48mm，使用碎石土对填土层进行换填，能极大地改善路基沉降。

3 结论

本文结合苏州G312与G524节点项目进行了交通荷载下碎石土回填路基沉降的有限元数值模拟，可以得出以下结论：

①路基沉降曲线两端基本沿路基中心线呈对称分布，其中两侧车轮处的沉降值最大，车辆中心处的沉降较两侧车轮处沉降要小；

②使用碎石土换填前，土体最大沉降为13.5mm，换填后最大沉降为1.48mm。使用碎石土对填土层进行换填，能极大地改善路基沉降。