基于PFC的软土路基抛石挤淤过程的数值计算研究

范晓秋　刘鑫

摘 要：以某高速公路抛石挤淤项目为依托，运用PFC颗粒流软件分析了石块粒径、淤泥混砂软土层的淤泥含量、路基自身荷载3种因素对抛石挤淤深度的影响，并计算了抛石挤淤后挤淤层的等效力学参数。研究结论表明：石块粒径、淤泥混砂软土层的淤泥含量、路基自身荷载是影响抛石挤淤处理深度的重要因素，且呈正相关关系。良好的抛填块石级配、在挤淤层上施加外部荷载能够提高抛石挤淤效果。

关键词：软土路基 抛石挤淤深度 PFC软件

中图分类号：TU45 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）12（c）-0081-04

抛石挤淤是用来处置软土路基的一种常用方法。软土广泛分布于我国河口盆地、山谷海滨等低洼地带，具有压缩性高、含水量大、抗剪强度低及灵敏度高等特点，是修筑路桥时经常会遇到的不良地质环境。抛石挤淤法可通过向软弱路基抛填石块，利用石块自重和一定外力挤开淤泥，并形成排水通道排除土体内多余水分，石块间剩余淤泥则会和石块胶结以改变路基性状，提高软土路基的承载力[1-3]。然而，由于抛石挤淤的发生过程及处置结果不可直接观测，理论计算和室内试验太过繁琐，对挤淤效果的评估成为设计施工人员需要面临的重要问题。

近年来，基于离散单元法的PFC颗粒流软件在岩土工程领域得到了很好的应用[4]。王玉锁[5]等通过建立PFC落石冲击模型及计算工况，研究了落石在垂直下落条件下的冲击力。汤保新[6]等利用PFC3D软件模拟室内直剪试验，提出一种通过不断调整的值以拟合室内直剪试验结果的细观参数标定方法。杨杰[7]等基于PFC颗粒流软件对堆石料进行了一系列数值试验，分析了数值试验结果与室内试验结果之间的差异，并建立了宏观参数和颗粒细观参数之间的关系。由此可见，PFC颗粒流软件在岩土块石和土工试验模拟方面都积累了丰富的研究经验，却并未在抛石挤淤深度及挤淤层的等效力学参数计算方面做出相关研究。

本文以某软土路基处理为项目依托，运用PFC软件模拟软土路基抛石挤淤的动态处理过程，分析不同影响因素对挤淤深度的影响，并计算挤淤层的等效力学参数。

1 工程概况

1.1 项目概况

该高速公路项目全长15.572km，主线软基分布长约5196m，占路线总长约21.9%。软土主要零星分布于河谷、沟谷、盆地走廊带及山间洼地等第四系地层中，路线所经区域主要以低缓丘陵为主。本项目软土多为浅层软土，埋深普遍在9m以内，主要为淤泥混砂、淤泥质粉质粘土等淤泥类软土及软塑状粘性土等非淤泥类软土组成。

1.2 地质条件

根据工程地质钻探及室内土工试验结果揭示，路段区分布的主要地层为第四系冲洪积层、坡积层、残积层和白垩系下统粉砂岩、泥质粉砂岩。山间沟谷洼地局部分布淤泥混砂软土层，整个软土层形状呈现平行山坡方向远远大于横跨山坡方向尺度；平行山坡方向的软土层厚度变化相对较小，而横跨山坡方向的软土层厚度变化较大。从整体方面看，软弱土层厚薄不均匀、本身坡度较大，其厚度一般在0.5～9.0m之间，其性质主要表现为含水量高、孔隙比大、压缩性高、渗透性差、固结时间长等。

2 抛石挤淤深度模拟计算

PFC2D程序以离散元方法为基础，以刚性圆盘或圆球为基本单元，利用基本单元的运动和相互作用来模拟相关联的实际问题，尤其适合岩土工程问题的模拟计算。

2.1 影响因素确定

由于石料抛填工况的复杂性，会有诸多因素对抛石挤淤深度造成影响。在分析施工过程及整理地勘资料的基础上，归纳出了石块粒径、淤泥混砂软土层的淤泥含量、路基自身荷载3种因素。因为工程区域淤泥混砂软土层较厚，故本次模拟不考虑穿透淤泥混砂软土层的情况，仅考虑上述3种因素对抛石挤淤处理淤泥混砂软土层深度的影响。

2.2 计算参数选取

颗粒流的细观模拟原则是通过改变颗粒单元机器集合体的细观力学性质，使之逼近材料的宏观力学参数。首先根据现场地质勘探报告和施工阶段有关单位提供的地质资料，并查阅其他类似地区地质资料，通过综合分析可确定各地层土体物理参数（如容重、含水率、压缩系数、渗透系数等）。然后采用数值模拟试验对实际材料进行计算，在计算时需要不断调整数值试验的输入颗粒细观参数，使数值计算结果与物理试验和现场勘探结果相吻合，最终可确定计算所需参数[8]。

2.3 计算模型建立

2.3.1 几何尺寸

根据路基填筑高度、处理形式、软土层厚度等确定最具有代表性的断面即典型断面，按施工设计图标注选取计算断面K12+270的几何尺寸。模型计算宽度是根据应力影响范围，通过预备性数值模拟计算来确定。路基最高填筑高度为16.3m、路基顶宽11.6m，考虑消除模型边界尺寸的影响，即：计算模型宽度取125m（7.67倍路基填筑高度）。地质勘察报告揭示，计算土层分布自上而下为：0～6.0m厚淤泥混砂层，0～3.0m厚粉砂，0～1.2m厚残积土，0～0.7m厚全风化花岗岩，底层为强风化花岗岩。

2.3.2 边界条件

水位线取位于地勘资料中标注的设计最高水位，计算模型左、右边界水平方向位移为零，竖直方向允许发生变形，下边界水平、竖直方向位移均为零，并阻止水的渗流。根据设计资料先确定路基各边界长度及位置如图1所示。

2.3.3 模型建立

对于PFC模拟石料抛填的过程，为便于计算淤泥混砂、粉砂及石块等大型颗粒，计算中均选用ball基本单元。颗粒单元的排列模式选用半径扩大法，先将全部目标颗粒的半径统一的缩小，使用GENERATE命令生成指定个数的颗粒，然后再将所有颗粒的半径按照一定比例统一进行放大，使颗粒“复原”，如图2所示。

2.4 计算结果

以上述模型為基础，采用控制变量法，分别计算不同影响因素变化时对抛石挤淤深度的影响。