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(jié)工程軟土路基評(píng)估研究道路及車道設(shè)計(jì)的研究和沉降控制已成為高速公路建設(shè)中的一個(gè)主要技術(shù)問題之一。目前,數(shù)值模擬已經(jīng)成為軟土路基沉降計(jì)算及預(yù)測(cè)的重要手段。開展軟土路基蠕變沉降規(guī)律的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)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(yàn)段為依托,采用FLAC(FastLagrangianAnalysisofContinua,有限差分快速拉格朗日元法,簡(jiǎn)稱FLAC)軟件,對(duì)該工程軟土路基的蠕變變形規(guī)律進(jìn)行量化分析,與路基豎向沉降的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(dá)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(duì)路堤填筑及預(yù)壓過程中軟土地基的穩(wěn)定和變形進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),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(duì)試驗(yàn)段地基變形情況進(jìn)行了跟蹤觀測(cè)。在K30+900斷面處的各土層頂部位置設(shè)置觀測(cè)點(diǎn),具體位置如圖1所示。在路基分層填筑施工進(jìn)行過程中,對(duì)各觀測(cè)點(diǎn)的沉降隨分層填筑過程進(jìn)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(duì)道中和道肩地基土的分層沉降量共進(jìn)行了9次記錄,即每分層填筑完成后進(jìn)行記錄。填土高度達(dá)到5.2m時(shí),道中累計(jì)沉降量為66.79mm,道肩累計(jì)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(cè)點(diǎn)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(dāng)填土高度大于3.0m時(shí),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(cè)斷面填土厚度5.20m,卸載前,中心累計(jì)最大沉降達(dá)約13.3cm,道肩約12.4cm,其中填土期分別為9.0和10.0cm,預(yù)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(dá)2.2cm,占該期間總沉降(地基和填土沉降之和)的32.4%。可見填土層的壓縮量也是可觀的。樁土應(yīng)力比在0.85～5.1之間,隨著填土增高,樁身應(yīng)變?cè)龃?然后趨于穩(wěn)定。2flac-key模型2.1應(yīng)變率及改性率粘塑性蠕變模型是一種基于經(jīng)驗(yàn)的蠕變粘彈性模型。該模型同時(shí)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?yīng)變率由偏斜部分和平均部分組成,偏斜應(yīng)變率由彈性、粘性、塑性3部分組成。體積應(yīng)變率由彈性部分和塑性部分組成,不考慮蠕變效應(yīng)。粘性偏應(yīng)變率公式為ξdvij=32{ξdijσˉ}ξ(1)ξijdv=32{ξijdσˉ}ξ(1)式中ξdijijd為偏應(yīng)力分量;ξ為蠕變速率標(biāo)量,由初始蠕變?chǔ)蝡和次蠕變?chǔ)蝧2個(gè)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(jì)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(jìn)行研究。路基兩側(cè)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(cè)邊界條件也為法向約束。這樣該模型實(shí)質(zhì)上求解的是一個(gè)平面應(yīng)變問題。對(duì)K30+900斷面路基建立FLAC-3D模型,將地基土和填筑路基進(jìn)行有限差分網(wǎng)格剖分,模型包含7866個(gè)單元,11024個(gè)節(jié)點(diǎn)。2.2.2粉噴樁處理后地基的力學(xué)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(chǎng)對(duì)原狀土進(jìn)行十字板剪切試驗(yàn)和靜力觸探的試驗(yàn)成果,該斷面經(jīng)粉噴樁處理以后,處理深度內(nèi)(10m)軟土強(qiáng)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(xué)參數(shù)見表2。本構(gòu)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(jié)已經(jīng)完成,地基土體本構(gòu)模型選用摩爾準(zhǔn)則進(jìn)行彈性計(jì)算,在路基填筑過程中,再進(jìn)行蠕變計(jì)算。模擬完成后,將各節(jié)點(diǎn)的位移、速率和應(yīng)變均歸零,只保留土體中的應(yīng)力狀態(tài)。在地基土體初始應(yīng)力狀態(tài)基礎(chǔ)上,根據(jù)工程實(shí)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(duì)道中和道肩沉降數(shù)據(jù)分析可知,豎向沉降的模擬結(jié)果和實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果,無論從變化趨勢(shì)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(yàn)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(qiáng)。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