成小鋒 王武超

(1.鎮(zhèn)江文化旅游產(chǎn)業(yè)集團(tuán)，江蘇 鎮(zhèn)江 212032； 2.河海大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211100)

0 引言

隨著科技迅速發(fā)展，高速公路建設(shè)蓬勃興起，路基設(shè)計(jì)在道路工程建設(shè)中顯得尤為重要，而高填方路基也越來(lái)越多的出現(xiàn)在了高速公路建設(shè)中[1]。路基的荷載來(lái)自兩部分，一部分是土體自重和路面結(jié)構(gòu)重量，另一部分是行車荷載，普通路基在自身重力和行車荷載的作用下會(huì)產(chǎn)生沉降，隨著填方高度的提高，荷載逐步加重，路基沉降問(wèn)題也就愈加嚴(yán)重。路基沉降會(huì)致使道路變形破壞、路面開(kāi)裂，對(duì)于高填方路基可能會(huì)引發(fā)路基邊坡失穩(wěn)，從而導(dǎo)致車輛無(wú)法正常行駛給人們的生活帶來(lái)不便，也會(huì)影響道路的美觀和經(jīng)濟(jì)效益[2]。因此高填方路基沉降問(wèn)題研究應(yīng)當(dāng)引起注意。

路基沉降量由土的壓縮性決定，因此路基沉降計(jì)算是以土的固結(jié)理論為基礎(chǔ)發(fā)展起來(lái)的。最早由土力學(xué)奠基人太沙基(Terzaghi)對(duì)土的固結(jié)過(guò)程進(jìn)行研究[3]，并在1925年首次提出了土的單向固結(jié)理論，借助此理論可以求解在一維應(yīng)力條件下路基土的固結(jié)問(wèn)題。后來(lái)楞德利克(Rengulic)又將太沙基的一維固結(jié)理論推廣到二維、三維[4]，由此產(chǎn)生了太沙基—楞德利克(Terzaghi-Rendulic)三維固結(jié)理論[5]。再后來(lái)，比奧(Biot)[6]根據(jù)有效應(yīng)力原理、土的連續(xù)條件和平衡條件提出Biot固結(jié)理論，但由于難以求解，一直沒(méi)能得到廣泛應(yīng)用。以上這些模型都是假定土體是飽和的情況下建立的，而實(shí)際情況并非如此。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，運(yùn)用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬已經(jīng)成為一種相對(duì)普遍的方法[7]。通過(guò)數(shù)值模擬可以展現(xiàn)工程的預(yù)期效果以及施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的工程地質(zhì)問(wèn)題。對(duì)高填方路基進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，將路基填土等直接折算成填土荷載，在模擬過(guò)程中一層一層分級(jí)加載，計(jì)算其累計(jì)沉降量[8]。本文以南京濱江大道高填方吹填路基為例，利用數(shù)值模擬分析其施工過(guò)程，計(jì)算高填方路基沉降量，針對(duì)沉降量大的地方分析原因并提出合理的處理措施。

1 工程背景

擬建浦口濱江大道工程(K10+100～K12+750)位于長(zhǎng)江北岸寬廣的長(zhǎng)江漫灘上，長(zhǎng)江從西南向東北方向流經(jīng)場(chǎng)地東南側(cè)。濱江大道走向基本與長(zhǎng)江平行。道路場(chǎng)地被眾多魚(yú)塘、堤防和溝渠等切割，地貌形態(tài)破碎零亂，地勢(shì)低洼處為溝、塘，地勢(shì)明顯凸起處為堤防和魚(yú)塘埂。地面標(biāo)高大多在6.5 m～7.0 m，堤防堤頂高程為10.9 m～11.9 m，魚(yú)塘埂高程為6.5 m～7.0 m、魚(yú)塘底高程為4.5 m～6.0 m，魚(yú)塘水深一般0.5 m～2.0 m[9]。本段設(shè)計(jì)縱斷面設(shè)計(jì)高程為道路中心線高程，在普通路段左幅道路機(jī)動(dòng)車道最高點(diǎn)高程為12.58 m，加上路緣石高度后，路基最高點(diǎn)高程為12.78 m，采用2%的單向橫坡往堤內(nèi)排水；右幅道路較左幅道路低0.3 m，機(jī)動(dòng)車道最高點(diǎn)高程為12.28 m，加上路緣石高度后，路基最高點(diǎn)高程為12.48 m，在交叉口段兩幅道路同高。

2 數(shù)值模型建立

本文使用Plaxis軟件對(duì)高填方路基邊坡進(jìn)行坡體數(shù)值模型構(gòu)建,路基設(shè)計(jì)寬度為42 m，考慮到邊界效應(yīng)，設(shè)計(jì)模型寬度為140 m，高度為50 m(-30 m～20 m)，模型尺寸參數(shù)見(jiàn)表1，模型中各土層所在高程見(jiàn)表2，各土層參數(shù)見(jiàn)表3,計(jì)算模型見(jiàn)圖1。

表1 模型尺寸參數(shù)

表2 模型土層高程

表3 模型土層參數(shù)[10]

3 計(jì)算結(jié)果分析

路基坡體模型經(jīng)計(jì)算后可得到變形網(wǎng)格圖如圖2所示，從圖2我們可以看出路基既有垂直位移(即沉降)，又有水平位移。路基的變形整體上的趨勢(shì)是兩邊小中間大，總位移極值是1.22 m。將變形的網(wǎng)格與施工前的網(wǎng)格進(jìn)行對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格變形不是很大，相比較而言，路基頂面變形最明顯，路基下方的網(wǎng)格也發(fā)生少量變形，而周圍兩邊網(wǎng)格基本沒(méi)有變形，這證明路基沉降對(duì)路基下方土層穩(wěn)定性影響較大，對(duì)兩邊土層穩(wěn)定性影響不大。

路基坡體模型施工完成后的垂直位移等值線圖如圖3所示。從圖3中可以看出，垂直位移等值線(即沉降)呈同心圓弧狀分布，在接近路基頂面中心點(diǎn)處達(dá)到了沉降最大值1.22 m。從路基頂面中心點(diǎn)向四周擴(kuò)散，沉降值漸漸減小，模型最下面一層粉質(zhì)黏土夾粉土下部(高程為-27 m處以下)沉降基本為0。這證明路基沉降的影響范圍是有限的，但是它對(duì)周圍土體的穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生很大的影響。它會(huì)導(dǎo)致土層下沉，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生變形和破壞。

路基坡體模型施工完成后的水平位移等值線圖如圖4所示，從圖4可以看出，水平位移有兩個(gè)位移最大中心點(diǎn)，一個(gè)大致在點(diǎn)(45，0)處，該點(diǎn)周圍的土層向左位移，另一個(gè)中心點(diǎn)大致在(118，3.4)，該點(diǎn)周圍的土層向右位移，呈水波狀向外發(fā)射。向左位移的范圍要比向右位移的大很多。水平位移極值是-0.477 46 m，方向向左。路基邊坡的坡度為1∶3，邊坡的水平位移為-0.100 m～-0.280 m，滑動(dòng)較小，因此路基邊坡是穩(wěn)定的，不會(huì)滑動(dòng)。

路基坡體模型施工完成后的有效應(yīng)力主應(yīng)力如圖5所示。從圖5可以看出，最大有效主應(yīng)力為-402.84 kN/m2，路基左右兩邊主應(yīng)力方向不一樣，路基中軸線以左主應(yīng)力方向?yàn)槟掀?，路基中軸線以右主應(yīng)力方向?yàn)楸逼珫|，中軸線附近方向近似垂直向下，路基下方主應(yīng)力線密度很大，而兩邊很疏，證明主應(yīng)力主要集中在路基下方。這是因?yàn)樘钪问┕r(shí)增加的荷載所致。高程越低，有效應(yīng)力主應(yīng)力線越長(zhǎng)，有效應(yīng)力主應(yīng)力越大。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)用Plaxis軟件對(duì)南京濱江大道高填方吹填路基施工過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，通過(guò)計(jì)算和分析可得出以下結(jié)論：1)路基在荷載剛加上時(shí)會(huì)有一個(gè)瞬時(shí)沉降，然后隨著時(shí)間增加沉降增加，直到最后漸漸趨于穩(wěn)定，這部分的沉降是路基的主要沉降；2)路基沉降量是受到原防洪堤的位置影響的，防洪堤以上部位的沉降量要小于路基其他填筑部分的沉降量，而且在防洪堤與路基填筑段的結(jié)合處垂直位移等值線出現(xiàn)了偏折，證明此處可能出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象，因此施工時(shí)應(yīng)特別注意填筑段與防洪堤的結(jié)合處；3)沉降量是隨著高程增加逐漸變大的，路基頂面的沉降值為路基的最終沉降量，根據(jù)對(duì)路基坡體模型的計(jì)算與分析，路基的最終沉降量在1.2 m～1.5 m范圍內(nèi)，此范圍內(nèi)的沉降不影響路基正常使用，路基坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)；對(duì)于路基沉降的進(jìn)一步研究，可采用實(shí)際監(jiān)測(cè)的方法進(jìn)行驗(yàn)證；4)路基水平位移既有向左位移，也有向右位移。一般是路基中心點(diǎn)左邊區(qū)域各點(diǎn)向左位移，右邊各點(diǎn)向右位移，加上垂直位移的作用，路基的變形整體是向里向下變形的。路基的水平位移極值大致在0.28 m～0.5 m范圍內(nèi)位移較小，說(shuō)明路基邊坡采用的護(hù)坡方法是有效的，不會(huì)發(fā)生崩塌和滑坡。