1-高速公路软土路基沉降规律监测及FLAC模拟_马南飞
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第 27卷 第 2期 2007年 6月
西安科技大学学报 JOURNAL OF X I’AN UN IVERSITY OF SC IENCE AND TECHNOLOGY
文章编号 : 1672 - 9315 (2007) 02 - 0251 - 04
Vol. 27 No12 June12007
高速公路软土路基沉降规律监测及 FLAC模拟3
M on itor ing and FLAC sim ula ting on settlem en t laws of soft so il roadbed of h ighway
MA N an2fei
( 3 th P roject Com pany, Ch ina R a ilw ay 19 B u reau Group Co. L td, L iaoyang 111000, Ch ina)
单位 — —
Pa - n s - 1 —
经验值 4156 127
5179 ×10 - 36 419
W IPP符号 Q R ε
ss
单位 ca l /mo l cal/mol K
s- 1
经验值 12 000 11987 5139 ×10 - 8
土层 ① ② ③ ④ ⑤
K /MPa 80 100 100 120 111
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 512 m 时 ,道中累计沉降量为 66179 mm ,道肩累计沉降量为 12910 mm。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
计算范围路基深度取 30 m ,横截面宽度影响范围取 120 m。由于 FLAC - 3D 是三维程序 ,因此沿公路
长度方向取长度为 1 m 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
0 引 言
高速公路软土路基的变形机理研究及沉降控制与预测已成为高速公路建设中的主要技术问题之 一 [ 1, 2 ] 。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 [ 3 - 7 ] 。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
2 软土路基沉降规律 FLAC模拟
2. 1 粘塑性蠕变本构模型
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 。
1 沉降变形现场监测
浙江某高速公路全长 291297 km ,线路所处地段很大一部
分为软土地基 ,厚达 20 ～30 m。研究段的 K30 + 900 断面地基
土上部 10 m 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
粘性偏应变率公式为
ξdv ij
=
3 2
ξd ij
σ
ξ
FLAC模拟
253
式中
ξdij为偏应力分量
;ξ为蠕变速率标量
,
由初始蠕变
ξ p
和次蠕变
ξ s
2
个部分组成
,
即
ξ=ξp +ξs
(2)
2. 2 计算模型及参数选取
21211 FLAC - 3D 模型的建立
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 1 K30 + 900断面各土层和填土物理力学参数 Tab11 Physics and m echan ics param eters of each so il layer of roadbed and f ill so il of section K30 + 900
Abstract: U sing on site monitoring to cement deep m ixing method p ile to dispose soft soil roadbed, the settlement law s of roadbed are studied. The settlement of key portions is monitored, and the p rimary law s of soft soil roadbed are gained. The on site testing results show that cement deep m ixing m ethod p ile is suitable for reinforcing the saturated soft clay roadbed in order to increase the bearing capacity and decrease the settlement of the soft clay roadbed. Based on visco2p lasticity creep constitutive model, the settlement creep deformation law of a highway roadbed in Zhejiang Province is analyzed w ith FLAC. The calculated results w ith FLAC are generally consistent w ith the on site monitoring results. It is con2 cluded that visco - p lasticity creep constitutive model is fit to sim ulate and forecast the settlem ent of soft soil roadbed, and can p resent important theory reference to the settlem ent control of soft soil roadbed. Key words: roadbed settlement; creep; on site testing; FLAC simulation
kφ / kPa 18113 15192 22144 20178 24132
表 3 本构模型中其他参数 Tab13 O ther va lues of con stitutive m odel
qk / Pa 0 0 0 0 0
qφ 01643 01422 01693 01519 01599
G /MPa 0130 0126 0125 0130 0124
3 收稿日期 : 2006 - 04 - 02 作者简介 : 马南飞 (1969 - ) ,男 ,辽宁绥东人 ,工程师 ,主要从事公路工程的科研和施工管理工作 1
252
西 安 科 技 大 学 学 报
2007年
试验段为依托 ,采用 FLAC ( Fast Lagrangian Analysis of Continua,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 。
C / kPa 1510 1310 1817 1710 2010 1913
K /MPa 80 100 100 120 111 120
n 0175 0171 0180 0175 0165
—
G /MPa 0130 0126 0125 0130 0124 0125
W IPP符号 A B D n
表 2 本构模型中的 7个常数的经验值 Tab12 Em p ir ica l va lues of seven con stan ts of con stitutive m odel
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 310 m 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 5120 m ,卸载前 ,中心累计最大沉降达约 1313 cm ,道肩约 1214 cm ,其中
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 。
图 1 K30 + 900断面观测点位置及编号 Fig11 Testing point and number of section K30 + 900
填土期分别为 910和 1010 cm ,预压期分别为 412和 214 cm ,两处的沉降相差不大 ,卸载后回弹 015 cm。
313 m 厚的填土压缩量达 212 cm ,占该期间总沉降 (地基和填土沉降之和 )的 3214%。可见填土层的压缩
量也是可观的 。桩土应力比在 0185～511之间 ,随着填土增高 ,桩身应变增大 ,然后趋于稳定 。
土层 ① ② ③ ④ ⑤
路基填土
土层名称 粉质粘土
淤泥 粉质粘土 淤泥质粉质粘土 粉质粘土
—
厚度 /m 3100 7100 6100 3100 11100 —
ρ/ t·m - 3 1190 1167 1190 1177 1198 0180
φ/ ( °) 2810 1910 3010 2310 2518 2510
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 7 866 个单元 ,
11 024个节点 。
21212 本构模型中计算参数的确定 [ 8 ]
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 ( 10 m )软土强度提高为原来的 210倍左右 。经过粉
T/℃ 20 20 20 20 20
σt / kPa 1510 1310 1817 1710 2010
表中 qφ =
马南飞
(中铁十九局第三工程公司 ,辽宁 辽阳 111000)
摘 要 : 采用粉喷水泥搅拌桩法 ,试验研究了高速公路软土路基沉降的变形特性 ,对路基关键部 位的竖向沉降进行了现场监测 ,得到了软土路基的变形的初步规律 。现场试验表明 ,粉喷水泥搅 拌桩法适宜于加固饱和软粘土地基 ,可用于增加软土路基的承载力 ,减少路基沉降量 。基于软土 粘塑性蠕变本构模型理论 ,应用 FLAC - 3D 软件完成了浙江某高速公路路基的的蠕变沉降规律 的计算机模拟 。 FLAC - 3D 计算得到的竖向沉降与实际监测结果基本一致 。计算表明 ,粘塑性蠕 变本构模型可以较好地模拟软土路基变形问题 ,可将该模型用于软土路基沉降计算及预测预报 , 为软土路基沉降控制提供重要的理论依据 。 关键词 : 路基沉降 ; 蠕变 ; 现场试验 ; FLAC模拟 中图分类号 : TU 471 文献标识码 : A
图 2 K30 + 900断面道中观测点竖向沉降变化曲线 Fig12 Settlement change curve of testing point of road m iddle of section K30 + 900
图 3 K30 + 900断面道肩观测点竖向位移变化曲线 Fig13 Settlement change curve of testing point of road shoulder of section K30 + 900
西安科技大学学报 JOURNAL OF X I’AN UN IVERSITY OF SC IENCE AND TECHNOLOGY
文章编号 : 1672 - 9315 (2007) 02 - 0251 - 04
Vol. 27 No12 June12007
高速公路软土路基沉降规律监测及 FLAC模拟3
M on itor ing and FLAC sim ula ting on settlem en t laws of soft so il roadbed of h ighway
MA N an2fei
( 3 th P roject Com pany, Ch ina R a ilw ay 19 B u reau Group Co. L td, L iaoyang 111000, Ch ina)
单位 — —
Pa - n s - 1 —
经验值 4156 127
5179 ×10 - 36 419
W IPP符号 Q R ε
ss
单位 ca l /mo l cal/mol K
s- 1
经验值 12 000 11987 5139 ×10 - 8
土层 ① ② ③ ④ ⑤
K /MPa 80 100 100 120 111
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 512 m 时 ,道中累计沉降量为 66179 mm ,道肩累计沉降量为 12910 mm。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
计算范围路基深度取 30 m ,横截面宽度影响范围取 120 m。由于 FLAC - 3D 是三维程序 ,因此沿公路
长度方向取长度为 1 m 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
0 引 言
高速公路软土路基的变形机理研究及沉降控制与预测已成为高速公路建设中的主要技术问题之 一 [ 1, 2 ] 。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 [ 3 - 7 ] 。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
2 软土路基沉降规律 FLAC模拟
2. 1 粘塑性蠕变本构模型
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 。
1 沉降变形现场监测
浙江某高速公路全长 291297 km ,线路所处地段很大一部
分为软土地基 ,厚达 20 ～30 m。研究段的 K30 + 900 断面地基
土上部 10 m 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
粘性偏应变率公式为
ξdv ij
=
3 2
ξd ij
σ
ξ
FLAC模拟
253
式中
ξdij为偏应力分量
;ξ为蠕变速率标量
,
由初始蠕变
ξ p
和次蠕变
ξ s
2
个部分组成
,
即
ξ=ξp +ξs
(2)
2. 2 计算模型及参数选取
21211 FLAC - 3D 模型的建立
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 1 K30 + 900断面各土层和填土物理力学参数 Tab11 Physics and m echan ics param eters of each so il layer of roadbed and f ill so il of section K30 + 900
Abstract: U sing on site monitoring to cement deep m ixing method p ile to dispose soft soil roadbed, the settlement law s of roadbed are studied. The settlement of key portions is monitored, and the p rimary law s of soft soil roadbed are gained. The on site testing results show that cement deep m ixing m ethod p ile is suitable for reinforcing the saturated soft clay roadbed in order to increase the bearing capacity and decrease the settlement of the soft clay roadbed. Based on visco2p lasticity creep constitutive model, the settlement creep deformation law of a highway roadbed in Zhejiang Province is analyzed w ith FLAC. The calculated results w ith FLAC are generally consistent w ith the on site monitoring results. It is con2 cluded that visco - p lasticity creep constitutive model is fit to sim ulate and forecast the settlem ent of soft soil roadbed, and can p resent important theory reference to the settlem ent control of soft soil roadbed. Key words: roadbed settlement; creep; on site testing; FLAC simulation
kφ / kPa 18113 15192 22144 20178 24132
表 3 本构模型中其他参数 Tab13 O ther va lues of con stitutive m odel
qk / Pa 0 0 0 0 0
qφ 01643 01422 01693 01519 01599
G /MPa 0130 0126 0125 0130 0124
3 收稿日期 : 2006 - 04 - 02 作者简介 : 马南飞 (1969 - ) ,男 ,辽宁绥东人 ,工程师 ,主要从事公路工程的科研和施工管理工作 1
252
西 安 科 技 大 学 学 报
2007年
试验段为依托 ,采用 FLAC ( Fast Lagrangian Analysis of Continua,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 。
C / kPa 1510 1310 1817 1710 2010 1913
K /MPa 80 100 100 120 111 120
n 0175 0171 0180 0175 0165
—
G /MPa 0130 0126 0125 0130 0124 0125
W IPP符号 A B D n
表 2 本构模型中的 7个常数的经验值 Tab12 Em p ir ica l va lues of seven con stan ts of con stitutive m odel
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 310 m 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 5120 m ,卸载前 ,中心累计最大沉降达约 1313 cm ,道肩约 1214 cm ,其中
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 。
图 1 K30 + 900断面观测点位置及编号 Fig11 Testing point and number of section K30 + 900
填土期分别为 910和 1010 cm ,预压期分别为 412和 214 cm ,两处的沉降相差不大 ,卸载后回弹 015 cm。
313 m 厚的填土压缩量达 212 cm ,占该期间总沉降 (地基和填土沉降之和 )的 3214%。可见填土层的压缩
量也是可观的 。桩土应力比在 0185～511之间 ,随着填土增高 ,桩身应变增大 ,然后趋于稳定 。
土层 ① ② ③ ④ ⑤
路基填土
土层名称 粉质粘土
淤泥 粉质粘土 淤泥质粉质粘土 粉质粘土
—
厚度 /m 3100 7100 6100 3100 11100 —
ρ/ t·m - 3 1190 1167 1190 1177 1198 0180
φ/ ( °) 2810 1910 3010 2310 2518 2510
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 7 866 个单元 ,
11 024个节点 。
21212 本构模型中计算参数的确定 [ 8 ]
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 ( 10 m )软土强度提高为原来的 210倍左右 。经过粉
T/℃ 20 20 20 20 20
σt / kPa 1510 1310 1817 1710 2010
表中 qφ =
马南飞
(中铁十九局第三工程公司 ,辽宁 辽阳 111000)
摘 要 : 采用粉喷水泥搅拌桩法 ,试验研究了高速公路软土路基沉降的变形特性 ,对路基关键部 位的竖向沉降进行了现场监测 ,得到了软土路基的变形的初步规律 。现场试验表明 ,粉喷水泥搅 拌桩法适宜于加固饱和软粘土地基 ,可用于增加软土路基的承载力 ,减少路基沉降量 。基于软土 粘塑性蠕变本构模型理论 ,应用 FLAC - 3D 软件完成了浙江某高速公路路基的的蠕变沉降规律 的计算机模拟 。 FLAC - 3D 计算得到的竖向沉降与实际监测结果基本一致 。计算表明 ,粘塑性蠕 变本构模型可以较好地模拟软土路基变形问题 ,可将该模型用于软土路基沉降计算及预测预报 , 为软土路基沉降控制提供重要的理论依据 。 关键词 : 路基沉降 ; 蠕变 ; 现场试验 ; FLAC模拟 中图分类号 : TU 471 文献标识码 : A
图 2 K30 + 900断面道中观测点竖向沉降变化曲线 Fig12 Settlement change curve of testing point of road m iddle of section K30 + 900
图 3 K30 + 900断面道肩观测点竖向位移变化曲线 Fig13 Settlement change curve of testing point of road shoulder of section K30 + 900