基于flac-3d的软土路基蠕变沉降变形特性研究

基于flac-3d的软土路基蠕变沉降变形特性研究

0固结工程软土路基评估研究道路及车道设计的研究和沉降控制已成为高速公路建设中的一个主要技术问题之一。目前,数值模拟已经成为软土路基沉降计算及预测的重要手段。开展软土路基蠕变沉降规律的现场实验及数值模拟研究具有重要意义。文中以浙江某高速公路粉喷水泥搅拌桩法软土路基处理试验段为依托,采用FLAC(FastLagrangianAnalysisofContinua,有限差分快速拉格朗日元法,简称FLAC)软件,对该工程软土路基的蠕变变形规律进行量化分析,与路基竖向沉降的现场监测数据进行对比分析。目的是研究软土路基的正确处理方法,分析软土路基的沉降变形规律。1路基分层填筑施工浙江某高速公路全长29.297km,线路所处地段很大一部分为软土地基,厚达20～30m。研究段的K30+900断面地基土上部10m采用粉喷水泥搅拌桩法处理。为了对路堤填筑及预压过程中软土地基的稳定和变形进行现场观测,分析路基处理方案的沉降变形规律,研究地基加固处理措施的有效性,对试验段地基变形情况进行了跟踪观测。在K30+900断面处的各土层顶部位置设置观测点,具体位置如图1所示。在路基分层填筑施工进行过程中,对各观测点的沉降随分层填筑过程进行记录,随填筑顺序的变化曲线如图2,图3所示。在路基填筑模拟过程中,对道中和道肩地基土的分层沉降量共进行了9次记录,即每分层填筑完成后进行记录。填土高度达到5.2m时,道中累计沉降量为66.79mm,道肩累计沉降量为129.0mm。从图2和图3中可以看出,沉降速率反映了填土速率的影响,并且道中和道肩各观测点的沉降,随着深度的增加而减小。在第1层填土施工过程中,由于经过粉喷桩处理的地基土突然承受上部荷载作用,并且该过程中填土速率较大,所以沉降速率较大。另外,当填土高度大于3.0m时,沉降速率加快。地基经粉喷桩处理后,填土初期沉降主要在加固区,后期沉降主要在下卧层。K30+900观测断面填土厚度5.20m,卸载前,中心累计最大沉降达约13.3cm,道肩约12.4cm,其中填土期分别为9.0和10.0cm,预压期分别为4.2和2.4cm,两处的沉降相差不大,卸载后回弹0.5cm。3.3m厚的填土压缩量达2.2cm,占该期间总沉降(地基和填土沉降之和)的32.4%。可见填土层的压缩量也是可观的。桩土应力比在0.85～5.1之间,随着填土增高,桩身应变增大,然后趋于稳定。2flac-key模型2.1应变率及改性率粘塑性蠕变模型是一种基于经验的蠕变粘弹性模型。该模型同时呈现出粘滞性、弹性和塑性特性,适合于软土的特殊性质。总应变率由偏斜部分和平均部分组成,偏斜应变率由弹性、粘性、塑性3部分组成。体积应变率由弹性部分和塑性部分组成,不考虑蠕变效应。粘性偏应变率公式为ξdvij=32{ξdijσ¯}ξ(1)ξijdv=32{ξijdσ¯}ξ(1)式中ξdijijd为偏应力分量;ξ为蠕变速率标量,由初始蠕变ξp和次蠕变ξs2个部分组成,即ξ=ξp+ξs(2)2.2模型和参数的选择2.2.1双边界条件模型计算范围路基深度取30m,横截面宽度影响范围取120m。由于FLAC-3D是三维程序,因此沿公路长度方向取长度为1m进行研究。路基两侧边界条件为水平约束。下底面边界条件为水平和竖向约束,模型的前后两侧边界条件也为法向约束。这样该模型实质上求解的是一个平面应变问题。对K30+900断面路基建立FLAC-3D模型,将地基土和填筑路基进行有限差分网格剖分,模型包含7866个单元,11024个节点。2.2.2粉喷桩处理后地基的力学性质变化根据勘察资料,地基各土层名称和厚度见表1。根据现场对原状土进行十字板剪切试验和静力触探的试验成果,该断面经粉喷桩处理以后,处理深度内(10m)软土强度提高为原来的2.0倍左右。经过粉喷桩处理以后的地基各土层和路基填土物理力学参数见表2。本构模型中需要的其他参数见表3和表4。表中qφ=6sinφ3√(3−sinφ),kφ=6ccosφ3√(3−sinφ)qφ=6sinφ3(3-sinφ),kφ=6ccosφ3(3-sinφ)2.3土体模型的弹性和流变分析在路基填筑之前,考虑到地基土体在长期的地质年代中,自身固结已经完成,地基土体本构模型选用摩尔准则进行弹性计算,在路基填筑过程中,再进行蠕变计算。模拟完成后,将各节点的位移、速率和应变均归零,只保留土体中的应力状态。在地基土体初始应力状态基础上,根据工程实际,断面K430+900分9层(表4)填筑施工。2.4数据分析的一致性从图4,图5可以看出,从对道中和道肩沉降数据分析可知,竖向沉降的模拟结果和实际监测结果,无论从变化趋势还是量值上都很接近,具有很好的一致性。3粘塑性模板模型1)粉喷桩处理试验断面沉降明显减小,水平位移也明显减小,地基稳定性增强。粉喷水泥搅拌桩法不仅沉降量小,而且水平位移也有限。因此,粉喷水泥搅拌桩法适宜于加固饱和软粘土路基。2)基于