路堤荷载作用下路基侧向位移特性分析.pdf

第4O卷第12期西北农林科技大学学报(自然科学版)Vo1．40No．122012年12月JournalofNorthwestA&FUniversity(Nat．Sci．Ed．)Dee．2012网络出版时间：2012—11-1916：44网络出版地址：http：／／www．cnki．net／kcms／detail／61．1390．S．20121119．1644．005．html路堤荷载作用下路基侧向位移特性分析刘金龙，陈陆望。，王吉利。(1合肥学院建筑工程系，安徽合肥230022；2合肥工业大学资源与环境工程学院，安徽合肥2300093中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北武汉430071)[摘要]【目的】考察施工间歇期路基侧向位移的发展特性，为路基侧向位移测量提供依据。【方法】基于非线性有限元方法，对路堤分阶段填筑过程中路基的变形特性进行了系统考察，同时分析了路基最大侧向位移的位置及其测量技术。【结果】对比分析表明，在硬壳层强度较高、软土层厚度较大的情况下，路基体内的侧向位移有可能在施工间歇期发生回缩，该现象伴随着竖向沉降的大幅度增长而发生；工程中常用的测斜管在考察侧向位移的过程中存在许多缺陷，利用其较难探测到侧向位移的回缩现象；在路堤分阶段填筑过程中，路基最大侧向位移的位置是变化的。【结论】需发展更精密的仪器来测量路基体内侧向位移的发展情况，建议将测斜管埋设于坡趾竖向断面和坡中竖向断面之间。[关键词]道路工程；非线性有限元；路堤；侧向位移；测斜管[中图分类号]TU433[文献标志码]A[文章编号]1671—9387(2012)12—0219—06LateraldisplacementanalysisofsoftsoilfoundationunderembankmentLIUJin—long，CHENLu—wang，WANGji—li。(1DepartmentofCivilEngineering，HefeiUniversity，Hefei，Anhui230022，China；2SchoolofResourceandEnvironmentalEngineering，HefeiUniversityofTechnology，Hefei，Anhui230009，China；3InstituteofRockandSoilMechanics，ChineseAcademyofSciences，Wuhan，Hubei430071，China)Abstract：[Objective]Inordertobettermeasurelateraldisplacementofroad，thecharacteristicsoflat—eraldisplacementofsoftsoilfoundationunderembankmentwerestudied．[Method]Atypicalembankmentwasstudiedsystemicallywithnonlinearfiniteelementmethod，andthelocationofmaximallateraldisplace—mentanditsmeasuringmethodwerealsodiscussed．[Result]Comparisonanalysisshowedthatlateraldis—placement，whichhappenedsynchronouslywithverticalsettlementincreasedrapidly，wouldbereducedpos—siblyatconsolidationstagewithstrongdrycrustandthicksoftsoillayer．Inclinometerpipecouldnotmeasurethisphenomenonconvenientlyduetoitsshortcomings，althoughithadbeenusedinengineeringwidely．Itisalsoshownthatthejocationofthemaximallateraldisplacementwaschangeableatdifferentconstructionstages．[Conclusion]Thetechniqueandinstrumentshouldbeimprovedtomeasurelateraldis—placementaccurately．Itissuggestedthattheinclinometerpipesshouldbeplacedbetweenverticalsurfacesofthetoeandthemiddleslopeofembankment．Keywords：roadengineering；nonlinearfiniteelementmethod；embankment；lateraldisplacement；incli—nometerpipe[收稿日期]2012-0330[基金项目]安徽省自然科学基金项目(1208085QE89)；住房和城乡建设部研究开发项目(2010一K37)[作者简介]刘金龙(1979一)，男，江西宜丰人，副教授，博士，主要从事岩土工程研究。E—mail：alnile@163．corn 220西北农林科技大学学报(自然科学版)第4()卷路基侧向位移的大小及其变化速率是路堤填筑基体内最大侧向位移的出现位置进行了对比分析，过程中是否能满足变形与稳定要求的主要控制参量以期为路基侧向位移测试中测斜管最佳埋设位置的之一_1，也是影响路基最终沉降量大小的重要因确定提供依据。素。一般地，为了满足变形与稳定性要求，路堤施工1路堤分阶段填筑的有限元模型可进行分阶段填筑，即包括填筑阶段和固结阶段(施重于N．阶y工间歇期)。在填筑阶段，由于施工进度较快可近似现针对某一典型的路基断面进行变形与稳度定m性视为不排水过程，路堤填筑产生的荷载主要由孔隙分析。该路堤顶宽16m，路堤填筑高度4m，坡度水来承担。土中孑L隙水与土颗粒本身的变形一般忽为1：2，软弱地基深度为12m，路堤和地基的几何略不计，故填筑阶段路基可看作只发生形变而没有构型如图1所示。重湿．度m体变，路基沉降量主要是由于土体向路堤中心外的y20侧向挤出产生的；在固结阶段，由于孑L隙水的消散导致有效应力增加，土颗粒间的孑L隙被挤密，从而使路路堤Embankmen~基产生了较大的沉降，同时也伴随着侧向位移的发硬壳层Strongdrycrust生。从大多数的文献报道来看，固结阶段路基的侧向位移也会向路堤中心外发展_6。引。实际上，目前泥炭土Peatysoil不少公路工程中路基的实测侧向位移并不一直向路硬黏土Hardclay堤外发展，在施工间歇期或预压期有向路堤中心内出一发展的记录，但这种现象一般被当作误差或不合理，——————、!m岫～对称轴SymmetryaxiC数据而忽视，因而鲜见相关的文献报道。擦摩内b岫m为此，本研究基于非线性有限元方法，针对一典冈1路堤横断面示意图(单位：m)八角_若mm型路基断面考察了路堤各施工阶段路基体内侧向位Fig．1Transectofembankment(unit：m)移的发展情况，对侧向位移向路堤中心内发展的可根据地勘资料，地基软土按照土性差异可划分能性及相应变形机理进行了探讨，并在分析测斜管为3个土层，路堤及地基各土层的物理力学参数见测量路基侧向位移过程中存在缺陷的基础上，对路表1，地下水位于距地面1m深处。嘶表1路堤及路基各土层的物理力学参数弹土层一Sot11ayer埘路堤土Embankment18．01．016．011．025O()硬壳层Crust16．00．00517．012．03500泥炭土Peaty14．00．00111．05．0l5O0硬黏土Hardclayl8．00．OO716．0l2．02700为了保证结论的一般性及减小参数转换过程中度，费时10d；(4)工后固结期150d，记为第二阶段可能产生的二次误差，有限元计算中各土层选用固结。Mohr—Coulomb屈服与破坏准则。有限元分析中采用l5节点的三角形单元进行网格剖分，如图2所l／i}怒避霹．示，共划分单元844个，节点6929个。由于对称<：写：辫0性，在对称轴断面上不发生孔压消散，故有限元计算中应关闭对称轴处的固结边界，使超静水压力不通过对称轴向外扩散。该路堤的施工步骤为：(1)将路堤填筑至2m，巍|=≤0∥警费时8d；(2)施工间歇100d，使超孔隙水压尽量消图2路堤及路基断面的有限元网格划分散，记为第～阶段困结；(3)将路堤填筑至4m高Fig．2MeshofembankmentandfoundationwithFEM 目逮聪恒智o0毒鲁舶勺a三0Q0qslQ第12期刘金龙，等：路堤荷载作用下路基侧向位移特性分析221O4m同时，采用强度折减有限元方法计算不同施工2各施工阶段路基侧向位移特性分析阶段路堤的安全系数。其操作步骤为：在弹塑性有限元数值计算中，首先对于某一假定的强度折减系通过有限元计算，得到了各施工阶段路堤坡趾数F将土的实际强度参数c、按照下式同时进处C—C竖向断面上侧向位移的发展情况，结果如行折减：图3所示。由图3可见，路堤填筑至2m且固结C／tan、⋯100d后，路基体内的侧向位移较路堤填筑至2mcr—，一arctanIJLl时的相应值小，第二阶段固结完成后路基的侧向位式中：c与分别为土层原始的黏聚力与内摩擦角，移也较填筑至4m时的相应值略小，说明各固结阶c与q)r分别为土层折减后的黏聚力与内摩擦角。段路基的侧向位移沿路堤对称轴向里发展，即通过以此对边坡进行弹塑性有限元计算，如果根据有限元计算发现侧向位移发生了“回缩”。一定的失稳判据确定边坡达到极限平衡状态，则有限元计算得到的这种侧向位移回缩现象，需与此相对应的强度折减系数就是总体安全系数，否要结合路基竖向沉降一起分析。图4表示各施工阶则对新假定的折减系数重复进行计算，直至土坡达段路堤底面(原地面)竖向沉降的发展情况。到临界极限平衡状态。--a--填筑至2mFiliingtotheheightof2m；—廿一第一阶段固结完成Thefirstconsolidationphasefinished；+填筑至4mFillingtotheheightof4m；1第二阶段固结完成Thesecondconso1idationphasefinished目藿-2．3．360l23456789lOl1l2131415l6侧向位移／cm．42Lateraldisplacement图3路堤坡址处C—C竖向断面上各点的侧向位移图4路堤堤底横断面各点的竖向沉降量Fig．3LateraldisplacementofC—CverticalsurfaceFig．4Verticalsettlementatbottomofembankmentattoeofembankment由图4可见，相对填筑阶段，固结阶段的竖向沉移沿对称轴向外发展；而在固结阶段，总体位移则向降发展较快，侧向位移回缩现象的发生正好与竖向对称轴内侧底部发展。这种位移增量方向的本质不沉降的快速发展相匹配。因此，可以这样对侧向位同，必然导致填筑阶段和固结阶段侧向位移的基本移的回缩现象加以解释：固结阶段超静水压力的消特性不同。散使有效应力增加，土颗粒被挤密压实，部分区域因一般地，路基中的硬壳层可将路堤荷载扩散到应力过大而导致土颗粒之间发生坍塌与错动，这种较大的范围，具有较好的板体支撑作用。当路堤填原有结构的破坏使路基竖向沉降快速发展(直到达筑至2m时，硬壳层具有较大的强度而未发生破到新的平衡)，这必然导致旁边的土体向对称轴方向坏，接下来的固结阶段因路基软土的压缩而使硬壳靠拢来填补因竖向沉降快速发展而产生的“空间”，层局部随路基一起发生了较大的竖向沉降，这种局即侧向位移的回缩伴随着竖向沉降的大幅度增长而部大变形增强了硬壳层的“拱”效应，其使路堤坡趾发生。以外部位应力增大而有助于路旁土体向路中心处发进一步得到填筑至2m的过程中和第一阶段展。但在路堤从2m填筑至4m的过程中，硬壳层固结过程中路基体内总体位移速率场(增量场)的因受到较大的应力而发生冲剪破坏，这时硬壳层的分布情况见图5。可见，在填筑阶段，路基的总体位板体支撑作用减弱或不存在，接下来固结阶段发生 222西北农林科技大学学报(自然科学版)第4O卷的较大沉降而产生的“空间”主要由路堤土刺人来填因。由此可知，侧向位移的回缩现象较容易发生在充，而路旁土体向路中心处发展则较为困难。这就硬壳层强度较高、软土层厚度较大(本研究算例中泥很好地解释了图3中第一阶段固结完成后侧向位移炭土厚8m)的实际工程中。回缩值较大，而第二阶段固结期间回缩值很小的原(a)填筑至2mFillingtotheheightof2m(b)~lOOdConsolidationof1O0days罔5不同施丁阶段路基总体位移速率场的分布Fig．5Incrementaldisplacementvectorsofembankmentatdifferentconstructionphases有限元数值计算还得到了各施工阶段路基体内堤的稳定性较相应填筑阶段有所提高，这是由于同最大侧向位移()、最大竖向沉降()及相应安全结阶段随着超静水压力的消散，土体强度相应有所系数的具体数值(表2)。由表2可见，固结阶段路提高所致。表2不同施工阶段路基体内的最大位移和路堤的安全系数Table2Safetyfactorsandmaximaldisplacementsatdifferentconstructionphases3)测斜管的埋设要求很高，其底端需嵌入无侧3最大侧向位移的量测及测斜管的向位移的深层硬土中，且应控制测斜管在土中的垂布设直度，观测工作量较大。工程实际中还较少发现这种侧向位移的“回缩”由此可见，基于测斜管得到的侧向位移数值也现象，这可能与侧向位移的量测技术与方法有关。是近似的，有可能因非确定性因素导致测量结果存T程中一般采用测斜管来量测路基深部侧向位移的在较大的误差。发展情况，其基本思想是使测斜管上部和下部受到特别地，在填筑阶段，路基体内的侧向位移沿对硬土层的约束，中间部分与土体一起自由变形来探称轴向外发展后，测斜管管材也与土体一起发生了测侧向位移的大小。虽然该技术使用较普遍，但尚向路堤外侧的如“弓”字形的变形。当固结阶段侧向存在一定的缺陷,1415]：位移沿对称轴向里发展时，测斜管早期发生的“弓”1)测斜管管材普遍使用直径6-8cm、壁厚5～字形变形导致其很难与土体一起发生回缩，较可能8miD_的PVC管，该管的刚度远远大于饱和软土，的是使固结阶段测斜管的读数增幅减小或不增加。刚度的差异造成软土与测斜管不能协调变形，只有因此，一般情况下在实际工程中利用测斜管较难探在软土挤出的速率较大时测斜管才会发生变形，但测到侧向位移的回缩现象，需发展更精密的仪器来其变形量远小于软土本身。测量路基体内侧向位移的发展情况。2)测斜管两端被相对固定，其在软土的流动摩另一方面，测斜管应埋设在路基土体侧向位移擦阻力作用下发生变形的同时，管体本身也产生抵最大的平面位置，但至于最大侧向位移的具体位抗变形的反力。变形越大，反力也越大，当反力大到置位于何处，目前并没有统一的看法，实际工程中将可以抵抗土的流动摩擦阻力时，测斜管不再发生变测斜管埋设于路肩、路堤坡趾或其他位置的做法均形。因此观测时间越长，测斜管的位移量与软土的存在。针对本研究算例，计算得到了各施工阶段路实际位移量偏差越大。基体内最大侧向位移的位置，结果见图6。 第12期刘金龙，等：路堤荷载作用下路基侧向位移特性分析’、、丑、、，1、、～：：‘厂／、、j|(，～。．t、＼、～—／／／、l、～—～——一—一／＼、一、—一，／(a)填筑至2mFillingtotheheightof2m(b)第一阶段固结Thefirstc0nso1idationphase＼＼～／一Cf／＼、＼＼／／、、≥。，，一L／＼，一，／／／(c)填筑至4mFillingtotheheightof4m(d)第二阶段固结Thesecondconsolidationphase图6不同施工阶段路基侧向位移等值线分布(单位：cm)Fig．6Isolineoflateraldisplacementofembankmentatdifferentconstructionphases(Unit：em)由图6可见，在填筑至21"1"1和第一阶段固结期中存在许多缺陷，基于测斜管得到的侧向位移数值间，路基的最大侧向位移发生在坡趾C—c断面和也是近似的，有可能因非确定性因素导致测量结果坡中B—B断面之间，而在后期填筑至4m和第二存在较大的误差，故利用测斜管较难探测到侧向位阶段固结期间，最大侧向位移的位置向路中心内发移的回缩现象，需发展更精密的仪器来测量路基体展至坡中B—B断面处。这说明在路堤分阶段填筑内侧向位移的发展情况。过程中，路基最大侧向位移的位置是变化的，其一般3)在路堤分阶段填筑过程中，路基最大侧向位在坡趾C—c断面和坡中B—B断面之间的附近范移的位置是变化的，其一般在坡趾竖向断面和坡中围内变动，故建议将测斜管埋设于该区域内，若将测竖向断面之间的区域内变动，故建议将测斜管埋设斜管置于坡肩或坡趾外的其他位置，则很难合理探在该区域内，若将测斜管置于坡肩或坡趾外其他位测到路基的最大侧向位移。置，则很难探测到路基的最大侧向位移。上述分析是基于有限元数值计算和理论探讨开4结论展的，下一步工作将结合具体工程实测数据进一步本研究采用非线性有限元方法，针对路堤分阶考察侧向位移的这种回缩特性。段填筑过程中路基体内侧向位移的基本特性进行了考察，对比分析表明：[参考文献][1]刘增贤，汤连生．路堤荷载下软土侧向挤出沉降分析[J]．工程1)在硬壳层强度较高、软土层厚度较大的实际勘察，2003，31(2)：1-4．工程中，路基体内侧向位移有可能在施工间歇期发LiuZX，TangLS．Studyonlateralsqueezingsettlementof生回缩，侧向位移的回缩伴随着竖向沉降的大幅度softsoilunderembankmentEJ]．GeotechnicalInvestigation&增长而发生。一般地，在填筑阶段路基的总体位移Surveying，2003，2003，31(2)：l-4．(inChinese)速率场沿对称轴向外发展，而固结阶段总体位移速F2]秦建平，陈栓发．软基路堤现场观测结果的分析与工程应用[J]．西安公路交通大学学报，1997，17(1)：5-8．率场则向对称轴内侧底部发展，这种位移增量方向QinJP，ChenSF．Analysisandengineeringapplicationofon—的本质不同，导致填筑阶段和固结阶段侧向位移基the—spottestingofsoftclayembankment[J]．JournalofXi’an本特性的不同。HighwayUniversity，l997，17(1)：5-8．(inChinese)2)工程中常用的测斜管在考察侧向位移的操作[3]周镜．软土沉降分析中的某些问题[J]．中国铁道科学， 224西北农林科技大学学报(自然科学版)第4O卷】999，20(2)：17—29．insoftsoildepositsunderfillconstructionofHaicanghighZhouJ．Settlementanalysisofembankmentonsoftcaly[J]．way[J]．RockandSoilMechanics，2003，24(Supp1)：465—467．ChinaRailwayScience，1999，20(2)：l7—29．(inChinese)(inChinese)[4]王伟，王中华，许芝娟，等．降雨条件下黏性土坡微结构动态[¨]刘金龙，张勇，陈陆望，等．路基拓宽工程的基本特性分析环境能场分析EJ]．西北农林科技大学学报：自然科学版，[J]．岩土力学，2010，31(7)：21592163．201o，38(3)：229234．IiuJI，ZhangY，ChenIW，eta1．BasiccharactersofroadWangW，WangZH，XuZJ，eta1．Analysisofmicrostructurewideningengineering[J]．RockandSoilMechanics，2010，3ldynamicenvironmentalenergy—-fieldofclays—-soilslopeunder(7)：21592163．(inChinese)rainfall[J]．JournalofNorthwestA&FUniversity：NatSci[12]赵岩．考虑侧向位移的路堤沉降分析[J]．公路交通科技，Ed，20l0，38(3)：229234．(inChinese)2011，28(6)：47-50．Esl王家全，周健，丛林，等．高填方加筋新旧路堤现场试验与ZhaoY．Analysisonembankmentsettlementconsidering[at数值模拟分析[J]．岩石力学与_r程学报，2010，29(1)：2943—eraldisplacement[j]．JournalofHighwayandTransportation295O．ResearehandDevelopment，2O11，28(6)：4750．(inChinese)WangJQ，ZhouJ，CongI，eta1．Analysisbetweennumerical[13]刘金龙，栾茂田，赵少飞，等．关于强度折减有限元方法中边坡andfieldtestsofhighm1reinforcedwideningembankment失稳判据的讨论_J]．岩土力学，2005，26(8)：1345—1348．[J]．ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering，LiuJI，LuanMT，ZhaoSF，eta1．Discussiononcriteriafor2010，29(1)：29432950．(inChinese)evaluatingstabilityofslopeinelastoplasticFEMbasedon[6]TavenasF，BlancherR。GarneauR，eta1．Thestabilityofstage—shearstrengthreductiontechnique[J]．RockandSoilMeconstructedembankmentsonsoftclaysEJ]．CanadianGeotech—chanics，2005，26(8)：1345—1348．(inChinese)nicalJournal，1978，15：283—305．[14]刘金龙，朱建群，王吉利，等．测斜仪在路基水平位移监测中的[7]ravenasF，MieussensC，BourgesF．Lateraldisplacementsin若干问题探讨口]．湖南科技大学学报：自然科学版，2007．22clayfoundationsunderembankments[J]．CanadianGeotechni—(3)：7l一75．calJournal，1979，16：532550．LiuJI，ZhuJQ，WangJI，eta1．StudyonsomeissuesofsoilE8]TavenasF，LeroueilS．TheBehaviorofembankmentsonclayinclinometerinmonitoringlateraldisplacementofsoftsoilfoundationsEJ3．CanadianGeotechnicalJournal，1980，17：236—foundationunderembankment[J]．JournalofHunanUniver259．sityofScience＆Technology：NaturalScienceEdition，2007，[9]王晓谋，袁怀字，贾其军，等．路堤下河滩相软土地基变形研究22(3)：7l一75．(inChinese)[J]．中国公路学报，2003，16(2)：22—26．[is]中华人民共和国国家标准编写组．JTJ01796公路软土路WangXM，YuanHY，JiaQJeta1．Studyofdeformationof基路堤设计与施工技术规范[s]．北京：中国计划出版社，alluvialflatsoftclayfoundationunderembankment[J]．China2002．JournalofHighwayandTransport，2003，16(2)：22—26．(inTheNationalStandardsComplicationGroupofPeople’sReChinese)publicofChina．JTJ017-96Technicalspecificationsforde[1o]阎钶，朱长歧，王良民．海沧大道软土路基施工侧向位移数signandconstructionofhighwayembankmentonsoftground据分析[J]．岩土力学，2003，24(增刊)：465-467．Is]．Beijing：ChinaPlanningPress，2002．(inChinese)YanK，ZhuCQ，WangLM．Analysisoflateraldisplacement