范曉秋　劉鑫

摘 要：以某高速公路拋石擠淤項目為依托，運用PFC顆粒流軟件分析了石塊粒徑、淤泥混砂軟土層的淤泥含量、路基自身荷載3種因素對拋石擠淤深度的影響，并計算了拋石擠淤后擠淤層的等效力學參數(shù)。研究結(jié)論表明：石塊粒徑、淤泥混砂軟土層的淤泥含量、路基自身荷載是影響拋石擠淤處理深度的重要因素，且呈正相關(guān)關(guān)系。良好的拋填塊石級配、在擠淤層上施加外部荷載能夠提高拋石擠淤效果。

關(guān)鍵詞：軟土路基 拋石擠淤深度 PFC軟件

中圖分類號：TU45 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）12（c）-0081-04

拋石擠淤是用來處置軟土路基的一種常用方法。軟土廣泛分布于我國河口盆地、山谷海濱等低洼地帶，具有壓縮性高、含水量大、抗剪強度低及靈敏度高等特點，是修筑路橋時經(jīng)常會遇到的不良地質(zhì)環(huán)境。拋石擠淤法可通過向軟弱路基拋填石塊，利用石塊自重和一定外力擠開淤泥，并形成排水通道排除土體內(nèi)多余水分，石塊間剩余淤泥則會和石塊膠結(jié)以改變路基性狀，提高軟土路基的承載力[1-3]。然而，由于拋石擠淤的發(fā)生過程及處置結(jié)果不可直接觀測，理論計算和室內(nèi)試驗太過繁瑣，對擠淤效果的評估成為設(shè)計施工人員需要面臨的重要問題。

近年來，基于離散單元法的PFC顆粒流軟件在巖土工程領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用[4]。王玉鎖[5]等通過建立PFC落石沖擊模型及計算工況，研究了落石在垂直下落條件下的沖擊力。湯保新[6]等利用PFC3D軟件模擬室內(nèi)直剪試驗，提出一種通過不斷調(diào)整的值以擬合室內(nèi)直剪試驗結(jié)果的細觀參數(shù)標定方法。楊杰[7]等基于PFC顆粒流軟件對堆石料進行了一系列數(shù)值試驗，分析了數(shù)值試驗結(jié)果與室內(nèi)試驗結(jié)果之間的差異，并建立了宏觀參數(shù)和顆粒細觀參數(shù)之間的關(guān)系。由此可見，PFC顆粒流軟件在巖土塊石和土工試驗?zāi)M方面都積累了豐富的研究經(jīng)驗，卻并未在拋石擠淤深度及擠淤層的等效力學參數(shù)計算方面做出相關(guān)研究。

本文以某軟土路基處理為項目依托，運用PFC軟件模擬軟土路基拋石擠淤的動態(tài)處理過程，分析不同影響因素對擠淤深度的影響，并計算擠淤層的等效力學參數(shù)。

1 工程概況

1.1 項目概況

該高速公路項目全長15.572km，主線軟基分布長約5196m，占路線總長約21.9%。軟土主要零星分布于河谷、溝谷、盆地走廊帶及山間洼地等第四系地層中，路線所經(jīng)區(qū)域主要以低緩丘陵為主。本項目軟土多為淺層軟土，埋深普遍在9m以內(nèi)，主要為淤泥混砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土等淤泥類軟土及軟塑狀粘性土等非淤泥類軟土組成。

1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)鉆探及室內(nèi)土工試驗結(jié)果揭示，路段區(qū)分布的主要地層為第四系沖洪積層、坡積層、殘積層和白堊系下統(tǒng)粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖。山間溝谷洼地局部分布淤泥混砂軟土層，整個軟土層形狀呈現(xiàn)平行山坡方向遠遠大于橫跨山坡方向尺度；平行山坡方向的軟土層厚度變化相對較小，而橫跨山坡方向的軟土層厚度變化較大。從整體方面看，軟弱土層厚薄不均勻、本身坡度較大，其厚度一般在0.5～9.0m之間，其性質(zhì)主要表現(xiàn)為含水量高、孔隙比大、壓縮性高、滲透性差、固結(jié)時間長等。

2 拋石擠淤深度模擬計算

PFC2D程序以離散元方法為基礎(chǔ)，以剛性圓盤或圓球為基本單元，利用基本單元的運動和相互作用來模擬相關(guān)聯(lián)的實際問題，尤其適合巖土工程問題的模擬計算。

2.1 影響因素確定

由于石料拋填工況的復雜性，會有諸多因素對拋石擠淤深度造成影響。在分析施工過程及整理地勘資料的基礎(chǔ)上，歸納出了石塊粒徑、淤泥混砂軟土層的淤泥含量、路基自身荷載3種因素。因為工程區(qū)域淤泥混砂軟土層較厚，故本次模擬不考慮穿透淤泥混砂軟土層的情況，僅考慮上述3種因素對拋石擠淤處理淤泥混砂軟土層深度的影響。

2.2 計算參數(shù)選取

顆粒流的細觀模擬原則是通過改變顆粒單元機器集合體的細觀力學性質(zhì)，使之逼近材料的宏觀力學參數(shù)。首先根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘探報告和施工階段有關(guān)單位提供的地質(zhì)資料，并查閱其他類似地區(qū)地質(zhì)資料，通過綜合分析可確定各地層土體物理參數(shù)（如容重、含水率、壓縮系數(shù)、滲透系數(shù)等）。然后采用數(shù)值模擬試驗對實際材料進行計算，在計算時需要不斷調(diào)整數(shù)值試驗的輸入顆粒細觀參數(shù)，使數(shù)值計算結(jié)果與物理試驗和現(xiàn)場勘探結(jié)果相吻合，最終可確定計算所需參數(shù)[8]。

2.3 計算模型建立

2.3.1 幾何尺寸

根據(jù)路基填筑高度、處理形式、軟土層厚度等確定最具有代表性的斷面即典型斷面，按施工設(shè)計圖標注選取計算斷面K12+270的幾何尺寸。模型計算寬度是根據(jù)應(yīng)力影響范圍，通過預(yù)備性數(shù)值模擬計算來確定。路基最高填筑高度為16.3m、路基頂寬11.6m，考慮消除模型邊界尺寸的影響，即：計算模型寬度取125m（7.67倍路基填筑高度）。地質(zhì)勘察報告揭示，計算土層分布自上而下為：0～6.0m厚淤泥混砂層，0～3.0m厚粉砂，0～1.2m厚殘積土，0～0.7m厚全風化花崗巖，底層為強風化花崗巖。

2.3.2 邊界條件

水位線取位于地勘資料中標注的設(shè)計最高水位，計算模型左、右邊界水平方向位移為零，豎直方向允許發(fā)生變形，下邊界水平、豎直方向位移均為零，并阻止水的滲流。根據(jù)設(shè)計資料先確定路基各邊界長度及位置如圖1所示。

2.3.3 模型建立

對于PFC模擬石料拋填的過程，為便于計算淤泥混砂、粉砂及石塊等大型顆粒，計算中均選用ball基本單元。顆粒單元的排列模式選用半徑擴大法，先將全部目標顆粒的半徑統(tǒng)一的縮小，使用GENERATE命令生成指定個數(shù)的顆粒，然后再將所有顆粒的半徑按照一定比例統(tǒng)一進行放大，使顆粒“復原”，如圖2所示。

2.4 計算結(jié)果

以上述模型為基礎(chǔ)，采用控制變量法，分別計算不同影響因素變化時對拋石擠淤深度的影響。