基于FLAC3D的某高速公路填方路基位移发展规律研究

熊家全

（广州市交通工程质量监督站，广州510000）

1 引言

在修建高速公路时，为满足路线纵横坡要求，综合考虑地貌、成本等因素，不可避免地会涉及高填方路基。 如填筑过程控制不当，就易发生不均匀沉降[1]，影响车辆行驶安全及乘车人员的舒适性。 因此，研究分析填方路基工后沉降[2-3]规律显得尤为必要。

沉降问题是土木工程的经典问题之一[4]。填方路基的竖向位移可分为原地基由于上覆填土体荷载引起的沉降和土体自身压缩变形两部分[5]，填方路基的水平位移主要由竖向位移引发的横向挤压而形成。 对于原地基沉降计算，目前已经有较多的工程实践[6]，也有了较深入的研究和讨论[7-8]，但对于原地基上覆填土体的压缩变形，目前尚无较为准确的计算理论，但有大量的数值模拟分析案例，在所有的强度理论中，摩尔-库仑强度理论[9]计算理论相对较为简单，结果也能较好地反映工程实际，该理论为广大岩土工程技术人员所接受[10]。

本文以前人研究成果为基础， 以广州某高速公路项目为依托，运用FLAC 3D 软件建立高填方路基计算模型，然后应用摩尔-库伦本构关系对不同填土高度、填土模量、填土密度及地基土模量进行竖向与水平位移模拟， 以期获取相应的沉降规律。

2 工程概况

广州某高速公路地处珠三角平原，线路穿越山地、既有高速公路、河流、水塘等地貌，为合理利用山地土体资源、贯彻环保理念及降低工程成本，部分路面设计有填方路基段。 本文研究的填方路基里程桩号为K12+120～K12+510，该段路基最大高度24 m，平均高度16 m，分3 级填筑，相邻两级路基在两侧设置台阶，台阶宽2 m，每级填筑高度为8 m，路基顶面设计宽度40 m，双向8 车道，路基原地基土层为黏土。 填方路基断面见图1。

图1 填方路基断面图（单位：m）

3 计算模型及计算方案

3.1 计算模型建立

根据路基设计图纸，该段路基填土高度为24 m，顶面宽度为40 m，按3 级边坡填筑，每级填土高8 m，相邻两级边坡设置平台，坡率统一按1∶1.5 设置。 运用FLAC 3D 软件分别模拟填土高8 m、16 m、24 m 时路基顶面及路基坡脚处土体位移情况。 填方路基模型及网格划分见图2。

图2 填方路基模型及网格划分

3.2 本构模型选取

FLAC 3D 进行模拟时， 需指定材料的本构关系和材料特性，其中摩尔-库伦本构模型计算简单，计算结果也与实际较为接近，是模拟岩土材料变形最常用的计算模型。 因此，本文拟采用摩尔-库伦本构模型。

3.3 模拟参数确定

为简化计算，路基上覆土体填料统一考虑为填土体，填土路基原地基的土质条件设为均质土层， 依据地质勘察资料与相关工程经验确定模型计算参数，见表1。

表1 模型计算参数

4 计算结果分析

为分析不同工况条件对原地面位移影响， 分别模拟不同填土高度、填土模量、填土密度及地基土模量情况下地面位移情况。

4.1 不同填土高度下原地面位移

按路基填筑顺序，依次模拟填筑高度h 为8 m、16 m、24 m时路基变形情况。 得出在原地面中心位置、距中心位置水平距离分别为10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m 处（边坡坡脚）竖向、横向位移数据，详见图3 和图4。

图3 不同填土高度下原地面竖向位移

图4 不同填土高度下原地面水平位移

从图3 可以看出，在原地面中心位置处的竖向位移最大，由中心向两侧竖向位移逐渐减小，随着路基填土高度的增加，同一位置土体竖向位移随之增大，在距路面中心水平距离60 m处，不同填土高度对应的竖向位移基本相等（约为3 cm），这是因为随着填土高度增加，路基中部土体竖向位移的增大，对两侧有挤压抬升作用。

从图4 可以看出， 在原地面中心位置处的水平位移基本为0，随着路基填土高度的增加，水平位移整体呈现逐渐增大的趋势（填土24 m 高时最大水平位移为6.1 cm），且水平位移最大值区域由坡脚位置逐渐向路基内侧移动。

4.2 不同填土模量下原地面位移

模拟路基填土体积模量和剪切模量分别为模量1（体积模量：27.78 MPa，剪切模量：9.26 MPa）、模量2（体积模量：33.33 MPa，剪切模量：11.11 MPa）、模量3（体积模量：38.89 MPa，剪切模量：12.96 MPa）、模量4（体积模量：44.44 MPa，剪切模量：14.81 MPa）时原地面位移情况，得出在原地面中心位置、距中心位置水平距离分别为10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m 处（边坡坡脚）竖向、横向位移数据，详见图5 和图6。

图5 不同填土模量下原地面竖向位移

图6 不同填土模量下原地面竖向位移

从图5、图6 可以看出，路基填土的模量对原地面竖向位移、水平位移基本没有影响。 随着模量的增大，竖向、水平位移有微小增加，但不明显，基本可忽略。

4.3 不同填土密度下原地面位移

模拟路基填土密度分别为密度1（1 500 kg/m3）、密度2（1 700 kg/m3）、密度3（1 900 kg/m3）、密度4（2 100 kg/m3）时原地面位移情况，得出在原地面中心位置、距中心位置水平距离分别为10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m 处 （边坡坡脚）竖向、横向位移数据，详见图7 和图8。

图7 不同填土密度下原地面竖向位移

图8 不同填土密度下原地面竖向位移

从图7 可以看出，随着路基填土密度的增大，同一位置土体竖向位移随之增大，在距路面中心水平距离60 m 处，不同填土密度对应的竖向位移有微小不同，但不明显。 从图8 可以看出，随着路基填土密度的增大，同一位置土体水平位移随之增大，但在原地面中心位置水平位移基本为0。

4.4 不同地基土模量下原地面位移

模拟地基土体积模量和剪切模量分别为地基土模量1（体积模量：26.04 MPa，剪切模量：9.33 MPa）、地基土模量2（体积模量：28.65 MPa，剪切模量：10.26 MPa）、地基土模量3（体积模量：31.25 MPa，剪切模量：11.19 MPa）、地基土模量4（体积模量：33.85 MPa，剪切模量：12.13 MPa）时原地面位移情况，得出在原地面中心位置、距中心位置水平距离分别为10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、60 m 处（边坡坡脚）竖向、横向位移数据，详见图9 和图10。

图9 不同地基土模量下原地面竖向位移

图10 不同地基土模量下原地面竖向位移

从图9 可以看出，随着地基土模量的增大，同一位置土体竖向位移随之减小，在距原地面中心水平距离60 m 处，不同填土密度对应的竖向位移有微小不同，但不明显。 从图10 可以看出，随着路基填土密度的增大，同一位置土体水平位移随之减小，但在原地面中心位置水平位移基本为0。

5 结语

本文以广州某新建高速公路为依托， 模拟了不同路基填土高度、填土模量、填土密度、地基土模量时原地面竖向、水平位移情况，结论如下。

1）填土路基原地面中心位置处的竖向位移最大，由中心向两侧逐渐减小， 在坡脚处竖向位移最小， 随着填土高度增加，原地面竖向位移整体不断增大。

2）填土路基原地面中心位置处的水平位移基本为0，由中心向两侧先增大再减小，随填土高度增加，水平位移整体呈逐渐增大趋势， 且水平位移最大值区域由坡脚位置逐渐向路基内侧移动。

3）路基填土模量对原地面竖向、水平位移基本无影响。

4）路基填土密度以及地基土模量对原地面竖向、水平位移有明显的影响。 路基填土密度越大，原地面竖向、水平位移越大；地基土模量越大，原地面竖向、水平位移越小。

根据模拟结果可知， 在工程施工时要注意高填方路基边坡坡脚向外挤压滑动引起的路基不均匀沉降， 同时应控制填料总体密度在合理水平，为防止沉降过大，可采取地基加固处理，以增强土体抗压抗剪强度，保证路基稳定。