高寒地区高填方路基不均匀沉降数值模拟分析及质量控制

张丽娜

(黑龙江省龙建路桥第六工程有限公司，黑龙江 哈尔滨 150009)

1 工程概况

鹤大高速佳木斯过境段工程起于黑龙江省佳木斯市北岸万庆屯北约3 km处，路线延西南向布设，在连庆屯西侧转向南行，跨越京抚公路后设置松花江特大桥跨越松花江，过江后在黑通村东侧转向东南，跨越哈同公路后，下穿哈佳客专，在三连村东南与哈同高速(哈同高速桩号K330+250)衔接后继续延东南向布线，在草帽村北接终点鹤大高速，路线全长25.239 km。本地区为高纬度高寒区，季节冻土标准冻深为2.20 m，路基多为高填方施工，全线平均填筑高度2.0～12.0 m。

2 沉降机理研究

填筑路基在受荷载应力的作用下延垂直方向发生形变位移称为沉降，沉降过程主要分为以下四个阶段：(1)当上部荷载作用在路基填料时，如果土体颗粒之间的粒间引力小于上部荷载，则土体的稳定状态将被打破，骨架结构将重新排布，直至上部荷载与土体颗粒间引力平衡，这一过程中对路基沉降影响最大，使填土颗粒也变得更加密实。(2)路基填料中多包含棱角较为分明的固体颗粒，造成颗粒之间存在空隙，在自重荷载的作用下，颗粒之间碰撞摩擦，造成颗粒棱角破碎，随之细小颗粒填充至原有空隙中，引起沉降形变。(3)受荷载力的影响，路基填料中存在微小的弹性形变，也会引起细微的沉降。(4)本工程地处高寒地区，土体结构受温度变化影响较大，对高填方路基沉降的扰动也更为突出，寒冷条件下水分固化成冰引起路基的体积冻胀，温度升高后更容易引发路基整体的不均匀沉降。

3 有限元模拟分析

选取有限元分析软件ANSYS对高寒地区高填方路基不均匀沉降进行数值模拟，分析不同填筑高度荷载作用下的沉降规律。

3.1 基本假定

假定(1)填筑材料为各向同性；(2)大气温度时刻处于恒温，土体冻结前温度为15 ℃；(3)不考虑水分迁移对填筑体积的影响；(4)模型的体积变化可对非弹性形变产生影响；(5)模型的塑性势是非关联的。

3.2 模型建立

本次分析模拟中路基宽度设定为26 m，坡度比设定为1∶1.5，结合工程实际选取土：石为70∶30的碎石土为填筑材料，其物理性质如表1所示，根据有限元计算要求进行网格划分，根据勘察报告对原地基的物理力学参数设定如表2所示，水平边界设定足够大，对路基底面和填筑材料只做垂直方向的位移，其他方向均作约束，仅选取路基的一半建立二维有限元模型如图1所示。

表1 碎石土的物理力学参数

表2 原地基的物理力学参数

图1 高填方路基有限元模型

3.3 有限元模拟分析

结合本工程平均填高范围为2.0～12.0 m，分别选取填筑高度为2 m、4m、6 m、8 m、10 m、12 m进行模拟分析，各个高度的沉降模拟情况如图2所示。

图2 路基不同填筑高度沉降有限元模拟云图

根据有限元模拟路基不同填筑高度的沉降云图获得沉降结果如表3所示，路基填筑高度与沉降数值的关系如图3所示。由此可知，路基的上部荷载是影响路基沉降量的主要因素，荷载量越大，沉降变化越明显。随着填筑高度的不断增高，自重荷载也随之变大，自重荷载与沉降数值有明显非线性增大的趋势。

表3 路基不同填筑高度沉降数值结果

图3 沉降数值随路基填筑高度变化图

4 质量控制方法

(1)对高填方路段编制专项施工方案，结合工程特点选取合适的填筑方法，合理调配人员、机械，任用经验丰富的技术人员作为现场负责人，在施工过程中做到井然有序。

(2)施工前，路基的临时排水工作不容忽视，需做到设计合理、施工方法得当，防止地表水侵泡路基。

(3)为防止垃圾、浮土、树根等因素对路基强度和稳定性的影响，应严格控制施工清表工作，并对原有路基做到充分压实和排水。

(4)按照设计要求对填料土石比、原材的筛选严格控制，充分发挥优良材料对高填方路基稳定性有利的作用，保证填筑材料性质相同，优先使用抗冻胀、干密度大、物性稳定、有利于提高低级承载力的填筑材料。

(5)严格遵守规范施工工艺流程施工，按照设计厚度要求进行分层填筑压实，保证各层压实度满足设计要求，同时做到每层路基填筑完成后表面平整、衔接得当，严格遵守质量验收标准进行分层验收，验收合格后再进行下一步施工。

(6)含水率也是影响高填方路段重要指标之一，在严格控制路基含水率的同时应实时关注天气变化和施工环境的湿度指标。时刻保证高填方路段的含水率在最佳范围内。

(7)填筑过程中需采用大吨位压路机对路基进行震动碾压，监测和实验过程中如发现任何指数不达标需及时补救，如情况较为严重需进行返工处理。

5 结 论

本文通过对地处高寒地区的鹤大高速佳木斯过境段工程高填方路基结构形变展开研究，总结了路基各个阶段的不均匀沉降机理；运用有限元分析软件ANSYS建立模型分别对不同填筑高度的沉降进行模拟并提出了一套高填方路基的质量控制方法，主要得出以下结论。

(1)填筑材料的粒间引力、分子之间的空隙、弹性形变以及水分子的固液转换都是影响路基发生沉降的因素，而填筑土体之间的粒间引力与上部荷载的关系是影响沉降最主要的因素；(2)路基填筑高度的不断增高使自身荷载不断增大，路基沉降量也会随之不断增大；(3)合理施工控制方法和严格的质量检验措施可有效控制路基发生不均匀沉降。