基于flac-3d的軟土路基蠕變沉降變形特性研究

基于flac-3d的軟土路基蠕變沉降變形特性研究

0固結工程軟土路基評估研究道路及車道設計的研究和沉降控制已成為高速公路建設中的一個主要技術問題之一。目前,數(shù)值模擬已經(jīng)成為軟土路基沉降計算及預測的重要手段。開展軟土路基蠕變沉降規(guī)律的現(xiàn)場實驗及數(shù)值模擬研究具有重要意義。文中以浙江某高速公路粉噴水泥攪拌樁法軟土路基處理試驗段為依托,采用FLAC(FastLagrangianAnalysisofContinua,有限差分快速拉格朗日元法,簡稱FLAC)軟件,對該工程軟土路基的蠕變變形規(guī)律進行量化分析,與路基豎向沉降的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析。目的是研究軟土路基的正確處理方法,分析軟土路基的沉降變形規(guī)律。1路基分層填筑施工浙江某高速公路全長29.297km,線路所處地段很大一部分為軟土地基,厚達20～30m。研究段的K30+900斷面地基土上部10m采用粉噴水泥攪拌樁法處理。為了對路堤填筑及預壓過程中軟土地基的穩(wěn)定和變形進行現(xiàn)場觀測,分析路基處理方案的沉降變形規(guī)律,研究地基加固處理措施的有效性,對試驗段地基變形情況進行了跟蹤觀測。在K30+900斷面處的各土層頂部位置設置觀測點,具體位置如圖1所示。在路基分層填筑施工進行過程中,對各觀測點的沉降隨分層填筑過程進行記錄,隨填筑順序的變化曲線如圖2,圖3所示。在路基填筑模擬過程中,對道中和道肩地基土的分層沉降量共進行了9次記錄,即每分層填筑完成后進行記錄。填土高度達到5.2m時,道中累計沉降量為66.79mm,道肩累計沉降量為129.0mm。從圖2和圖3中可以看出,沉降速率反映了填土速率的影響,并且道中和道肩各觀測點的沉降,隨著深度的增加而減小。在第1層填土施工過程中,由于經(jīng)過粉噴樁處理的地基土突然承受上部荷載作用,并且該過程中填土速率較大,所以沉降速率較大。另外,當填土高度大于3.0m時,沉降速率加快。地基經(jīng)粉噴樁處理后,填土初期沉降主要在加固區(qū),后期沉降主要在下臥層。K30+900觀測斷面填土厚度5.20m,卸載前,中心累計最大沉降達約13.3cm,道肩約12.4cm,其中填土期分別為9.0和10.0cm,預壓期分別為4.2和2.4cm,兩處的沉降相差不大,卸載后回彈0.5cm。3.3m厚的填土壓縮量達2.2cm,占該期間總沉降(地基和填土沉降之和)的32.4%?？梢娞钔翆拥膲嚎s量也是可觀的。樁土應力比在0.85～5.1之間,隨著填土增高,樁身應變增大,然后趨于穩(wěn)定。2flac-key模型2.1應變率及改性率粘塑性蠕變模型是一種基于經(jīng)驗的蠕變粘彈性模型。該模型同時呈現(xiàn)出粘滯性、彈性和塑性特性,適合于軟土的特殊性質(zhì)?？倯兟视善辈糠趾推骄糠纸M成,偏斜應變率由彈性、粘性、塑性3部分組成。體積應變率由彈性部分和塑性部分組成,不考慮蠕變效應。粘性偏應變率公式為ξdvij=32{ξdijσˉ}ξ(1)ξijdv=32{ξijdσˉ}ξ(1)式中ξdijijd為偏應力分量;ξ為蠕變速率標量,由初始蠕變ξp和次蠕變ξs2個部分組成,即ξ=ξp+ξs(2)2.2模型和參數(shù)的選擇2.2.1雙邊界條件模型計算范圍路基深度取30m,橫截面寬度影響范圍取120m。由于FLAC-3D是三維程序,因此沿公路長度方向取長度為1m進行研究。路基兩側邊界條件為水平約束。下底面邊界條件為水平和豎向約束,模型的前后兩側邊界條件也為法向約束。這樣該模型實質(zhì)上求解的是一個平面應變問題。對K30+900斷面路基建立FLAC-3D模型,將地基土和填筑路基進行有限差分網(wǎng)格剖分,模型包含7866個單元,11024個節(jié)點。2.2.2粉噴樁處理后地基的力學性質(zhì)變化根據(jù)勘察資料,地基各土層名稱和厚度見表1。根據(jù)現(xiàn)場對原狀土進行十字板剪切試驗和靜力觸探的試驗成果,該斷面經(jīng)粉噴樁處理以后,處理深度內(nèi)(10m)軟土強度提高為原來的2.0倍左右。經(jīng)過粉噴樁處理以后的地基各土層和路基填土物理力學參數(shù)見表2。本構模型中需要的其他參數(shù)見表3和表4。表中qφ=6sinφ3√(3?sinφ),kφ=6ccosφ3√(3?sinφ)qφ=6sinφ3(3-sinφ),kφ=6ccosφ3(3-sinφ)2.3土體模型的彈性和流變分析在路基填筑之前,考慮到地基土體在長期的地質(zhì)年代中,自身固結已經(jīng)完成,地基土體本構模型選用摩爾準則進行彈性計算,在路基填筑過程中,再進行蠕變計算。模擬完成后,將各節(jié)點的位移、速率和應變均歸零,只保留土體中的應力狀態(tài)。在地基土體初始應力狀態(tài)基礎上,根據(jù)工程實際,斷面K430+900分9層(表4)填筑施工。2.4數(shù)據(jù)分析的一致性從圖4,圖5可以看出,從對道中和道肩沉降數(shù)據(jù)分析可知,豎向沉降的模擬結果和實際監(jiān)測結果,無論從變化趨勢還是量值上都很接近,具有很好的一致性。3粘塑性模板模型1)粉噴樁處理試驗斷面沉降明顯減小,水平位移也明顯減小,地基穩(wěn)定性增強。粉噴水泥攪拌樁法不僅沉降量小,而且水平位移也有限。因此,粉噴水泥攪拌樁法適宜于加固飽和軟粘土路基。2)基于