卞正榮

(上海隧道工程質(zhì)量檢測有限公司， 上海 201109)

山地丘陵地區(qū)地質(zhì)復(fù)雜、地形起伏多變，高填路堤建設(shè)與運營期的變形特性對工程建設(shè)安全與質(zhì)量有著重要影響。許多學(xué)者通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測等方法對復(fù)雜地形因素下高填路堤變形規(guī)律展開了研究，如Anand J.等依托克萊伯恩市67號公路工程，基于雙曲線模型對EPS土工泡沫塑料路堤進行沉降監(jiān)測，并通過數(shù)值模擬合理預(yù)測路堤變形；侯亞玲等針對山西某黃土填料高填路堤，通過室內(nèi)試驗，結(jié)合二維有限元計算與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)比較分析，提出路堤沉降計算方法；李占鋒以西北地區(qū)某山區(qū)高速公路為對象，結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)和有限元法對不同高填土路基沉降影響因素進行分析，研究高填路基沉降變化特征；孫笑等通過對某高填路堤不同斷面的二維數(shù)值模擬，得到典型斷面高填路堤的沉降變形規(guī)律，并分析了黏土路基經(jīng)過石灰土換填后的沉降變形情況；Wu P.等基于UH模型，以O(shè)CR為控制參數(shù)建立軟弱地基巖土層數(shù)值模型，研究統(tǒng)一硬化模型下土石混合體的沉降變形；李忠友等借助三維有限元模擬，對某高填路堤及其支擋結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬；丁靜聲等基于強度折減法，對不同地形條件下V形沖溝路堤進行穩(wěn)定性分析，認為該類路堤的三維效應(yīng)不可忽略；徐佩華等對折線地基上高填石路堤的變形和穩(wěn)定性進行三維數(shù)值仿真，分析高烈度區(qū)浸水高填石路堤變形規(guī)律；薛新華等以成昆(成都—昆明)線攀枝花南站昔格達層高填方路堤工程為依托，利用ABAQUS軟件建立三維整體有限元模型，分析分層填筑中路堤的沉降變形規(guī)律。若考慮高填路堤所在地形的三維效應(yīng)，高填路堤將呈現(xiàn)獨特的變形特性，但目前對這類問題的研究尚不完善。該文以杭紹臺(杭州—紹興—臺州)高速公路(臺州段)擴建工程為依托，通過正交試驗，考慮V形沖溝三維效應(yīng)，對高填路堤建設(shè)期的沉降變形與側(cè)移變形展開研究，為V形沖溝條件下高填路堤設(shè)計和施工提供借鑒。

1 V形沖溝條件下高填路堤變形特性

1.1 工程概況

杭紹臺高速公路(臺州段)地處東南沿海，為山嶺重丘區(qū)，屬東南亞熱帶氣候，區(qū)內(nèi)植被茂密，雨水充沛。線路呈南東-北西向展布，由東向西穿過博平嶺?？傮w地勢東南低、西北高，海拔為110～310 m，高程最大為340 m，海拔最低處約60 m，相對高差一般為40～190 m。全長27.7 km，為雙向八車道，設(shè)計時速80 km/h?？紤]挖填方平衡問題，線路共設(shè)計20余處高填路堤段，途經(jīng)多處V形沖溝等特殊地形。

1.2 V形沖溝條件下高填路堤數(shù)值模型

以ZK64+200—800穿越某小型V形沖溝的典型高填路堤為工程原型，在FLAC3D數(shù)值平臺上對其填筑過程展開數(shù)值模擬，探討V形沖溝條件下高填路堤的變形特性。數(shù)值模型見圖1，其中x軸為線路延展方向，總長220 m；y軸為V形沖溝縱深方向，總寬95 m；z軸為豎直方向，總高64 m。數(shù)值模型從下到上依次為深部地層(中風(fēng)化花崗巖)、淺部地基(強～全風(fēng)化花崗巖殘積土)、路堤本體(殘積土+礫石的混合填料)。路堤填筑前，將沖溝坡面上的虛土清理干凈，數(shù)值模擬中可認為路堤本體與淺部地基是緊密連續(xù)的(無需采用接觸面單元)。模型共包括37 320個實體單元、40 944個節(jié)點。模型頂面與路堤本體取自由邊界，前后面與側(cè)面邊界采用法向約束，底面邊界設(shè)置為固定約束。

圖1 V形沖溝條件下高填路堤數(shù)值模型

巖土體均采用MC本構(gòu)模型，根據(jù)相關(guān)設(shè)計文件，深部地層、淺部地基及路堤本體的主要物性參數(shù)見表1。

表1 巖土體的主要物性參數(shù)

1.3 工況及監(jiān)測點

路堤本體總計填高24 m，按照每層堆填2 m并反復(fù)壓實，自下而上共計12種工況。在路堤中心沿高程布置12個測點，觀察各分層沉降變形(z向位移)隨施工步的發(fā)展規(guī)律；在路堤坡面沿高程布置12個測點，觀察各分層側(cè)向變形(y向位移)隨施工步的發(fā)展規(guī)律(見圖2)。

圖2 測點布置示意圖

1.4 高填路堤變形特性分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，得到典型V形沖溝條件下高填路堤分層沉降、分層側(cè)移隨施工步的發(fā)展規(guī)律(見圖3、圖4)。

圖3 高填路堤分層沉降

圖4 高填路堤分層側(cè)移

由圖3、圖4可知：路堤分層沉降與分層側(cè)移均隨施工步(填筑高度)不斷增大，且沿高程方向均呈現(xiàn)中間大、兩頭小的發(fā)展形態(tài)，與已有結(jié)論一致。路堤中部既下伏有較厚的可壓縮土層，又上覆有較大的堆填荷載，全部填筑完畢后，最大分層沉降δmax發(fā)生在路堤中部，約為12.6 cm，各分層平均沉降ˉδ約為9.4 cm；最大分層側(cè)移ηmax發(fā)生在路堤中下部，約為2.5 cm，各分層平均側(cè)移ˉη約為1.6 cm。

1.5 與二維地形的對比

若不考慮V形沖溝的三維效應(yīng)，選取沖溝中心截面(圖2中測點布設(shè)所在截面)按二維平面應(yīng)變假定建立數(shù)值模型(見圖5)，模型共計7 040個實體單元、8 404個節(jié)點，其地層及主要物性參數(shù)、模型邊界條件、工況與監(jiān)測點布設(shè)等均與前述相同。

圖5 二維條件下高填路堤數(shù)值模型

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對二維與三維條件下路堤分層沉降及分層側(cè)移進行對比，結(jié)果見圖6、圖7。

圖6 二維與三維條件下高填路堤分層沉降對比

圖7 二維與三維條件下高填路堤分層側(cè)移對比

由圖6～7可知：二維條件下高填路堤的分層沉降及分層側(cè)移規(guī)律與三維條件下基本一致，數(shù)值比三維條件下分別大3%～5%和5%～10%。

2 地形因素對高填路堤變形特性的影響

2.1 地形影響因素

根據(jù)V形沖溝的地形特點，其三維特性主要表現(xiàn)在開口角度α、沖溝側(cè)坡坡度β、沖溝背坡坡度θ及溝谷均寬W四方面(見圖8)。各因素對高填路堤變形的影響不同，下面通過正交試驗分析各地形因素對高填路堤變形特性的影響。

圖8 V形沖溝的地形因素

2.2 正交試驗設(shè)計

將V形沖溝的4個地形因素即開口角度、沖溝側(cè)坡坡度、沖溝背坡坡度、溝谷均寬分別命名為因素A、B、C、D，每個因素設(shè)置3個水平，采用正交設(shè)計方案L9(34)，試驗參數(shù)見表2。據(jù)此建立不同地形條件下高填路堤三維數(shù)值模型，其地層及主要物性參數(shù)、模型邊界條件、工況與監(jiān)測點布設(shè)等均與前述相同。對上述9個試驗的數(shù)值模擬結(jié)果進行分析，以高填路堤分層沉降和分層位移為主要關(guān)注點，進行地形影響因素敏感性分析。

表2 正交試驗設(shè)計表L9(34)

2.3 地形因素對分層沉降的影響分析

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，進行分層沉降極差分析(見表3)，各因素對最大分層沉降和平均分層沉降影響的直觀分析見圖9、圖10。從圖9、圖10可看出：各地形因素對高填路堤最大分層沉降δmax影響的敏感性依次為D>B≈C>A，對平均分層沉降ˉδ影響的敏感性依次為D>B≈A>C。

表3 分層沉降極差分析

分層沉降的方差分析見表4、表5。在置信水平α=0.05的條件(因素顯著性臨界值為19.0)下，對于最大分層沉降，各因素影響均不顯著；對于平均分層沉降，因素D的影響顯著，因素A、B、C影響不顯著。與極差分析結(jié)果一致。

圖9 地形因素對最大分層沉降影響的敏感性分析

圖10 地形因素對平均分層沉降影響的敏感性分析

表4 最大分層沉降方差分析

表5 平均分層沉降方差分析

綜上，V形沖溝高填路堤分層沉降主要由溝谷均寬引起，且主要影響平均分層沉降，線路規(guī)劃過程中應(yīng)選取適宜溝谷均寬的沖溝地形。

2.4 地形因素對分層側(cè)移的影響分析

分層側(cè)移的極差分析見表6，各因素對最大分層側(cè)移和平均分層側(cè)移影響的直觀分析見圖11、圖12。從圖11、圖12可看出：各地形因素對高填路堤最大分層側(cè)移ηmax影響的敏感性依次為D>B>A≈C，對平均分層側(cè)移ˉη影響的敏感性依次為D>B>C>A。

表6 分層側(cè)移極差分析

圖11 地形因素對最大分層側(cè)移影響的敏感性分析

分層側(cè)移的方差分析見表7、表8。在置信水平α=0.05的條件下，對于最大分側(cè)移，各因素影響均不顯著；對于平均分層沉降，因素C、D的影響顯著，因素A、B的影響不顯著。與極差分析結(jié)果一致。

圖12 地形因素對平均分層側(cè)移影響的敏感性分析

表7 最大分層側(cè)移方差分析

表8 平均分層側(cè)移方差分析

綜上，V形沖溝高填路堤分層側(cè)移主要由溝谷均寬和沖溝背坡坡度引起，且主要影響平均分層側(cè)移，線路跨越?jīng)_溝地形時應(yīng)注意選取合適的溝谷均寬和沖溝背坡坡度。

3 結(jié)論

依托杭紹臺高速公路(臺州段)擴建工程，通過正交試驗研究V形沖溝地形條件下高填路堤的變形特性，得到以下主要結(jié)論：

(1) 無論是在二維還是三維條件下，高填路堤的分層沉降與分層側(cè)移均隨施工步(填筑高度)不斷增大，沿高程方向均呈現(xiàn)中間大、兩頭小的發(fā)展形態(tài)，且二維條件下高填路堤的分層沉降和分層側(cè)移比三維條件下分別大3%～5%和5%～10%。

(2) V形沖溝的三維特性可歸納為開口角度、沖溝側(cè)坡坡度、沖溝背坡坡度和溝谷均寬4個地形因素。對于平均分層沉降，溝谷均寬的影響顯著，其余因素不顯著；對于平均分層側(cè)移，溝谷均寬和沖溝背坡坡度的影響顯著，其余因素不顯著。V形沖溝地形條件下修筑高填路堤應(yīng)重點關(guān)注溝谷均寬和沖溝背坡坡度。