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上覆硬殼層軟基氣泡混合輕質土有限元分析

發布時間:2018-02-06

上覆硬殼層軟基氣泡混合輕質土有限元分析

周志敏,肖禮經

(廣東冠生土木工程技術有限公司,廣州,511400)

廣東省交通運輸廳科技項目,編號:科技-2013-02-001

摘要  針對舊路基采用氣泡混合輕質土加寬和加高這一工況,分析硬殼層、軟土的非線性變形以及固結變形特性,建立氣泡混合輕質土、硬殼層、軟土的數值模型,用以研究氣泡混合輕質土的填筑高度與寬度、硬殼層厚度、軟基厚度等因素對路基沉降及固結度的影響。

關鍵詞   MIDAS軟件 氣泡混合輕質土  應力  沉降  深厚軟基

1、引言

 長期以來,學者們研究了不同的模型和方法用于定量的描述土體在給定荷載水平和土層條件下的應力場分布[1]。王錫朝等通過模型試驗,研究了地表硬殼層受條形均布荷載時,下臥淤泥層內的水平應力[2]。然而,對于土層力學特性差異很大的成層土地基,土的應力應變關系為非線性,建立線性解析解是極為復雜和困難的,如今還沒有一個較為實用的計算方法[3]。特別是土層上覆的是氣泡混合輕質土這一輕質水泥基材料時,由于其自身成剛性整體,與常規填土的特性差異極大,目前少有相關研究。

 本文采用MIDAS軟件進行有限元模擬分析,以省道S336珠海大道(三期)金灣互通立交橋至高欄港段主線改造工程K43+200~K43+300段為依托,針對采用氣泡混合輕質土進行舊路基加寬和加高的工況,建立氣泡混合輕質土、硬殼層、軟土的數值模型,用以研究氣泡混合輕質土的填筑高度與寬度、硬殼層厚度、軟基厚度等因素對路基沉降的影響。

2、上覆硬殼層軟基氣泡混合輕質土有限元分析

2.1 地質構造

 針對本依托項目,經過現場地質勘探,選取鉆孔QZK21~QZK22-1之間的斷面路基進行有限元分析部分參數分析計算,具體地質情況為:0~-1.64,填筑土;-1.64~-13.46,淤泥;-13.46~-22.66,粉質粘土;-22.66~-30.76,礫砂;-30.76~-34.46,砂質粘性土。軟土總厚度達21.1m。

2.2模型結構劃分

 根據其對應的地質情況,取砂質粘性土層以上各層為研究對象,其下為巖層,不考慮其沉降的影響。為了增強計算的穩定性,提高收斂速度,在劃分網格時采用四邊形的規則網格。

2.3邊界的設定

 邊界設定如圖1所示,約束1、2區的水平位移,約束3區的水平和豎向位移,4、5、6和7區作為固結排水的排水邊界,壓力水頭為0,而1~3區域賦予同樣的總水頭[4]。



 

 圖1 邊界設置示意圖

3、有限元結果分析

3.1新路基應力及沉降

 將新路基兩邊各3m的擴寬部分及上部加高部分一次性填筑上去,填筑后地基垂直位移圖如圖2所示。 

 圖2中可以看到新增的擴寬部分的處沉降最大,但其僅為10mm,比通常填土的施工期間沉降小了很多,是因為氣泡混合輕質土自身是整體剛性的水泥基材料,自身沒有沉降。

 

 圖2 新路基施工期沉降圖

 

 圖3 鋪設新路面760天后豎向應力比圖

 圖3中可以明顯的看到路面新加荷載通過該硬殼層在淤泥層中形成了應力擴散,在淤泥層應力增加的范圍要大于路堤的底面[5]。

 選取圖中沉降最大的點進行沉降-時間的分析,如圖4所示。

 

 圖4 最大沉降點沉降-時間圖

 從圖4中可以明顯的看到,在完工后前期,沉降發展的相當快,在120天的時候,已經完成了總沉降的81%,在竣工2~3年的時間里,沉降發展極其緩慢,趨于穩定。

 通過上述模擬分析,采用氣泡混合輕質土進行舊路基的加寬加高改造,其工后沉降很小,而且幾乎沒有新舊路基的沉降差。究其原因,氣泡混合輕質土是一種輕質水泥基填料,重量只為常規填土的1/3,而且自身成一個剛性整體,可以有效的將上部路面荷載的應力均勻分散。因此,通過有效降低荷載和應力分散,采用氣泡混合輕質土進行舊路基的加寬加高,工后沉降可以控制的很好,完全沒有新舊路基不均勻沉降病害問題。

3.2加大軟土厚度對沉降及應力的影響

 為了研究淤泥深度對氣泡混合輕質土填高加寬路基的影響,基于上述的模型,將軟土層厚度擴大為16m、18m,進行模擬路基沉降分析,結果如圖5。

                                                             


 圖5 不同軟土厚度的路基時間-沉降圖

 經過模型研究發現,不同的軟土層厚度,工后沉降也都是在施工后前期發展快,120天時已經完成了總沉降的75%~80%;但是,軟土層越厚,120天時沉降量占總沉降的比率也越低,總沉降量相差卻不大,軟土層厚從13.6米增加到18米,總沉降量從6.3cm增加到7.8cm,說明在舊路基這一整體硬殼層應力分散的情況下,淤泥層的固結時間也相應延長,但是總沉降量卻得到了很好的控制,路基底部的應力得到了很好的分散,此時上部荷載不變的情況下,軟基的厚度對總沉降量影響不大。

3.3加大填筑高度對應力及沉降的影響

 為了研究不同的填筑高度對氣泡混合輕質土填高加寬路基的影響,基于上述模型,將氣泡混合輕質土的填筑高度增加1m、2m,進行路基沉降分析,結果如圖6。

 

 圖6 不同輕質土填筑厚度的路基時間-沉降圖

 施工完畢后的早期,120天時沉降已達總沉降的80%;填筑高度越大,總沉降量也越多,說明同樣的硬殼層地質情況下,上部荷載越大,沉降越多;但是,總沉降量相對仍然較小,即利用氣泡混合輕質土把路基抬高3米的情況下,最后總沉降量也只有11.3cm,完全滿足規范要求。

4、結論

 4.1 經過有限元模擬分析,利用氣泡混合輕質土進行舊路基加寬加高,工后沉降很小,且沒有新舊路基沉降差;

 4.2 硬殼層地質條件確定的情況下,利用氣泡混合輕質土進行舊路基的加寬加高,軟基的厚度對工后總沉降影響較小;如果是等載換填加高,影響更小;

 4.3硬殼層地質條件確定的情況下,利用氣泡混合輕質土進行舊路基的加寬加高,為使路基工后總沉降滿足要求,存在一個極限路基加高高度,需進一步模擬分析,得出量化分析公式;

[1] 唐建中。雙層地基應力擴散的特性研究.地基處理,1993,4(2):25-31

[2] 王錫朝等.地表硬殼層受荷時下臥淤泥層內水平應力的試驗研究.石家莊鐵道學院學報,1996,9(4):11.16

[3] 王曉謀等.硬殼層軟土地基豎向附加應力擴散的數值分析.長安大學學報(自然科學版),2007,27(3):37:41

[4] 梁永輝.上覆蓋硬殼層軟土地基的工程特性試驗研究及數值模擬:【同濟大學碩士論文】.上海:土木工程學院,2007,21.23

[5] 劉祚秋.變荷載下任意層地基一維非線性固結的數值分析.長安大學學報.2007,46(5):1-4

 作者簡介:周志敏(1985—),男,漢族,湖南株洲,結構工程師,工學碩士,廣東冠生土木工程技術有限公司,研究方向:新材料在結構工程中的應用

 肖禮經,廣東冠生土木工程技術有限公司

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