异步高填方路基新老路基变形特性数值模拟解析

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摘要:采用有限差分法进行分析,地基和路堤土均采用Mohrcoulomb理想弹塑性模型。根据边界条件以及实际情况控制划分单元。根据对称性,取一半结构进行计算,土体地基计算深度取30m,上层15m为软弱土,下层15m为细砂土。计算宽度取60m,左边界为对称轴,则竖向自由、水平约束;下边界为竖向约束、水平向自由;右边界为竖向自由、水平约束,上边界为竖向和水平均自由。路基部分采用0.5m×0.5m进行网格划分,新老路堤采用0.5m×0.25m划分网格。

关键词:差异沉降;数值模拟;控制标准

中图分类号:TU205

文献标识码:A

文章编号:16723198(2009)20031902

1土体参数

表1土体参数

2原路基初始位移的消除

利用有限差分对老路基进行模拟时,先计算出老路基在固结完成时各点的应力及初始位移,然后在后续计算中,对计算范围内的各点施加初始应力,从而达到消除初始位移的目的,在计算过程中假设老路基下的地基固结变形和老路基自身的固结变形均已完成,在FLAC岩土工程软件中有一个命令可以令加宽前的位移和应力为零,然后再进行加宽,新路基荷载作为附加应力对老路基的影响就会变得非常直观。

3计算结果分析

3.1 竖向位移

本节将对普通直接拼接的水平填筑工艺进行计算分析。图2为未处理异步高填方新老路基竖向位移等值线图,由此图可以看出,整个计算域范围内发生最大沉降的位置在加宽路基及路基的边坡上,地基沉降量以此处为中心以近似弧形发散的形式向四周递减。地基在深度较小的地方沉降量变化速率较快,随深度增加沉降量变化减慢。在填方路基坡脚处和路基上表面处沉降沿水平向变化速率最快,路基顶面上发生最大沉降(Smax)的位置在路基外边缘,在路基中心线处竖向位移为正,即在路基中心线处出现了隆起破坏。FLAC软件程序分析显示在路基中心线处地表产生了一个塑性区(见图3)。图4为地表沉降盆情况,从图中可以看出:

(1)异步高填方软土路基中加宽部分路堤的填筑使得原有路堤下地基和加宽部分路堤发生较大的沉降变形,这是由于新路堤作为附加荷载引起的地基固结变形所致;

(2)异步高填方软土路基中加宽路堤荷载对邻近的、沉降已趋于稳定的原有路基的沉降变形影响显著,边载将会引起老路地基的附加沉降,这是一种荷载传递的普遍现象;老路不同位置的附加沉降不同,从而引起老路路表横坡比的改变非常明显,影响路面服务水平,从沉降曲线可以算出,附加荷载引起的老路路表横坡比变化为060%,大于04%;

(3)异步高填方软土路基中新路堤作为附加荷载引起的附加沉降,对老路基中心而言,呈反盆形分布,在中心点处产生向上的附加位移(为向上位移0.18cm),两侧加宽路堤的路肩处(老路堤坡脚附近处)最大(为向下位移2252cm)。这将会引起老路路肩与路中心间差异沉降的产生,极易导致对原路堤、路面的拉裂破坏;

(4)异步高填方软土路基中一定范围内软土层的存在,使得新填筑的路堤荷载加上之后,在老路路堤顶面中心线附近区域产生了受拉屈服区,出现了局部的土体隆起破坏。

3.2 侧向位移

由整个计算范围内的侧向位移图5可以看出,由于异步高填方软土路基中新路堤荷载的作用,地基中部分土体向内侧(路基中线方向)变形,部分土体向外侧挤出,两者的分界线为通过拓宽部分路基边坡向内与竖直线大致成45°角的近似直线,这与地基内主应力的分布情况相一致。在分界线内侧水平位移方向向内(为x坐标负向),线外侧水平位移方向向外(为正向),负向最大位移发生在离地表面约9m深度范围内,正向最大位移发生在离地面1-8m深度处,填方路基表面填土有向拓宽路基方向滑移的趋势。

4结语

(1)异步高填方软土路基中加宽部分路堤的填筑使得原有路堤下地基和加宽部分路堤发生较大的沉降变形,这是由于新路堤作为附加荷载引起的地基固结变形所致。

(2)异步高填方软土路基中加宽路堤荷载对邻近的、沉降已趋于稳定的老路的地基沉降影响显著,边载将会引起老路地基的附加沉降,这是一种荷载传递的普遍现象;老路不同位置的附加沉降不同,从而引起老路路表横坡比的改变非常明显,影响路面服务水平,从沉降曲线可以算出,附加荷载引起的老路路表横坡比变化为0.60%,大于0.4%。

(3)异步高填方软土路基中新路堤作为附加荷载引起的附加沉降,在老路中心线处为向上的0.18cm,最大值在两侧加宽形成的新路堤的路肩处(老路坡脚处附近)为2252cm。

(4)异步高填方软土路基中新路堤作为附加荷载引起的附加沉降,对老路基中心而言,呈反盆形分布,在中心点处产生向上的附加位移,两侧加宽路堤的路肩处(老路堤坡脚附近处)最大。这将会引起老路路肩与路中心间差异沉降的产生,极易导致对原路堤、路面的拉裂破坏。

(5)异步高填方软土路基中由于一定范围的软土层的存在,使得新填筑的路堤荷载加上之后,在老路路堤顶面中心线附近区域产生了受拉屈服区,出现了隆起破坏。

(6)以老路堤的路肩为界,侧向位移向老路中心线和新路坡脚两个方向发生位移。