石灰土换填路堤的离心模型试验与数值模拟.pdf

第32卷第5期长安大学学报(自然科学版)Vo1．32NO．52O12年9月JournalofChang’anUniversity(NaturalScienceEdition)Sept．2012文章编号：1671—8879(2012)05—0023—06石灰土换填路堤的离心模型试验与数值模拟刊、笑，赵明阶，汪魁，龙腾辉。，游华蓉(1．重庆交通大学河海学院，重庆400074；2．重庆同乘工程咨询设计有限责任公司，重庆400023)摘要：中国汽车试车场的建设目前还没有现成的标准和规范，其施工难度大，施工工艺复杂，对路堤沉降的标准比高速公路的要求高，通过对长安综合试车场(垫江)高填方路堤试验路段的4个典型断面进行离心模型试验和数值模拟分析，研究高填方路堤的沉降变形规律，并分析了粘土路基经过石灰土换填后典型断面路堤的沉降变形情况。研究结果表明：高填方路堤用石灰土换填后，路堤的沉降变形明显减小，稳定性和强度得到有效提高；离心模型试验进一步验证了数值模拟的结果，二者具有良好的一致性；离心模型试验和数值模拟相结合的分析方法能够较全面地反映原型的沉降变形规律和稳定性变化。关键词：道路工程；高填方路堤；离心模型；数值模拟中图分类号：U416．12文献标志码：ACentrifugalmodeltestandnumericalsimulationonembankmentwithreplacementoflimestonesoilSUNXiao，ZHAOMing—jie，WANGKui，LONGTeng—hui，YOUHua—rong。(1．SchoolofRiverandOcean，ChongqingJiaotongUniversity，Chongqing400074，China；2．ChongqingTongchengEngineeringConsultationCoLtd，Chongqing400023，China)Abstract：TheconstructionoftesttrackhasnotreadycriteriaandrulesinChina，butitisacom—plexproject，demandinghigherconstructiontechnologyandembankmentsettlementstandardthanexpressway．FourtypicalsectionsofhighfillembankmentforChang’ancomprehensivetesttrackwereanalyzedwithcentrifugalmodeltestandnumericalsimulationtostudythesettlementdeformationlawofhighfillembankment，andthesettlementdeformationofthesectionsthatwerereplacedbylimestonesoilwereanalyzed．Theresultsindicatethatthestrengthandthesta—bilityofthehighfillembankmentareimprovedandthesettlementdeformationdecreaseswhenthehighfillsubgradeisreplacedbylimestonesoil．Thecentrifugalmodeltestresultsshowagoodagreementwithnumericalsimulationresults，andthesettlementdeformationandstabilityoftheprototypecanbereflectedcompletelywithcombinationoftwomethods．2tabs，6figs，16refs．Keywords：roadengineering；highfillembankment；centrifugalmodel；numericalsimulation收稿日期：2011-09—10基金项目：江西省交通厅交通科技项目(2010-15)作者简介：孙笑(1986一)，女，江西泰和人，工学博士研究生，E—mail：512930251@qq．corn。 24长安大学学报(自然科学版)2012年方面。0引言随着现代计算机技术的发展，数值模拟方法已随着世界汽车工业的飞速发展，汽车试验场的成为分析复杂的岩土工程问题的一种重要手段，目建设进入了一个新的时代。目前，中国汽车试验场前已经广泛应用于岩土工程领域l1¨]。的设计和施工没有现成的标准和规范，且其施工难为了研究长安综合试验场路堤沉降及其稳定度大，施工工艺复杂，比一般高速公路工程的要求严性，采用离心模型试验和数值模拟分析两种方法，对格D-2]。长安汽车综合试验场建成后将是西部首个长安试验场高填方路堤4个典型断面进行分析，研大型的综合试车场，该项目投资大，占地面积近究了路堤变形规律，分析了石灰土换填对路基沉降2×10in。(约3000亩)，建设于地形较平缓的丘陵和填方稳定性的改良效果。地带。整个试验场由填方和挖方组成，填方最大高1离心模型试验度达22m，最大填方边坡高度达20In，填料主要为挖方段弃土(泥岩和粘性土)，试验场的试验路段主1．1试验设备要由高速环道、动态试验道以及专项测试道等不同本次试验所使用的是重庆交通大学土工离心机要求的试道组成，且每个路段都要求严格。因此，采试验室的60g·t土工离心机(图1)。离心机的主要取合理的施工方法与施工工艺，才能保证填方路基技术指标：①有效容量为60g·t，有效半径为2m；②及填筑体的质量，并通过合理有效的质量控制方法模型箱尺寸为600mmX350minx500mm③加速度与手段，才能确保填方路堤的沉降与工后沉降满足范围为(10~200)g；④加速度稳定度为1F．Sl1引。工程质量要求。由于长安汽车综合试验场是西部在建的第一个试验场，缺乏成熟的经验和技术，且对试验路段路面及填料有特殊要求，因此有必要对该试验场填方路基的填料以及路堤的沉降变形和稳定性进行研究和分析。土工离心模型试验是将土工模型置于高速旋转的离心机中，让模型承受大于重力加速度的离心加速度，补偿因模型缩尺带来的土工构筑物自重的损失。它比通常在静力条件下的物理模拟更接近于实际，它与普通模型不同之处在于：普通模型只满足几何形状相似，不能模拟与原型建筑物重力相似，离心图160g·t土工离心机Fig．1Geotechnicalcentrifugewith60g·t模型试验却能同时满足上述两方面的相似]。由1．2试验方案于在模拟自重应力作用的构筑物时有着显著的优该试验路段最大填方高度达到201TI多，基底点，因此，离心模型试验已经广泛应用于路基工程的粘土层的孔隙比小，渗透系数低，变形模量小，压缩研究。赵明阶等通过制作不同断面形式的离心模性大，要达到完全固结需要很长的时间，所以必须对型，模拟了岩堆路基在自重力及汽车荷载作用下的沉降变形，研究了不同组成、不同高度的典型岩堆体路基粘性土进行换填。通过对含灰量(质量分数)的沉降变形规律；张中云等通过红层泥岩路堤离4～8的石灰土物理参数(孔隙率、变形模量等)心模型试验，得到施工期沉降、工后沉降与时间的进行测试，参照《客运专线无碴轨道铁路设计指南》关系，据此确定了无碴轨道中红层泥岩路堤填筑施关于路基填料的说明，含灰量4～8的石灰土作工参数[6；邹静蓉等通过9组土工格室加筋路堤和为基底的换填料均能够满足试验场路基换填料的要1组未加土工格室的路堤边坡相似模型进行了离心求。但考虑到现场土体的含水量过大，施工中晾晒试验，研究了土工格室加筋对路堤边坡的变形和破原状粘土难度较大，因此，采用8的石灰土进行路坏的力学机理；张良等通过3种不同垫层结构的基换填处理。软土地基路堤离心模型试验，研究了基底压力和垫模型采用了该试验场试验路段作为原型，路基层筋带拉力的分布规律]。除此之外，离心模型试采用含灰量8的石灰土换填，路堤采用现场的泥验还广泛应用于岩土工程的其他领域，如桩基荷载岩进行填筑，路床也用含灰量8的石灰土填筑。分析、码头结构受力分析、岩土动力学等各个为了试验的可行性，选择了该试验场的4个典型断 26长安大学学报(自然科学版)2012丘’。。gU越妲／t塔基岩(a)模型1位移，mm单位：m目U图4模型1断尺寸越幄Fig．4Diameterofsection1堰衅2．2计算参数填料的力学参数可按室内试验结果取值，见表2。(b)模型2位移／ram表2计算模型参数Tab．2Parametersofmode1昌U名称8石灰土，基岩风化泥岩粘土枢10d龄期接蜮弹性模量／MPa3000．045．850．O16．0泊松比0．300．330．34O．38密度／(kg·m)25002O702O861824粘聚力／kPa2800106．365．930O吕U内摩擦角／(。)35．018．027．912．0越惺2．3计算结果分析摇塔模型1断面y方向位移(沉降)变化云图如下页图5所示。当路基部分用粘性土填料时，填方最(d)模型4位移，m大沉降量为16．70cm；当路基用石灰土换填时，填图3模型位移随填筑高度变化趋势方最大沉降量为13．85cm。相对于粘性土而言，一Fig．3Displacementchangetrendswithattitudeofmodel定含灰量的石灰土大大提高了路基填料的弹性模量其不均匀性相对较大，这里选取长安汽车试验场(垫等变形参数。因此，采用石灰土换填路基填料，在一江)高速环道断面K2+460，即前面离心模型试验模定程度上能够减小填方的沉降变形，提高了填方的型1进行有限元分析，研究高速环道填方沉降变形整体稳定性。规律。下页图6所示为路基采用2种填料时，该断面断面1有限元分析尺寸如图4所示，采用平面高速环道路面各测点的沉降量曲线。通过图6可以应变分析方法，选取二维结构实体单元PLANE82。看出，石灰土换填，明显减小了高速环道路面各点的填方自上而下各层填料分别为：上路床采用8含沉降大小。另外，由于高速环道断面自身的不对称灰量的石灰土，路床下部采用现场开挖的土石混合性较为明显，因此环道路面沉降变形差异性较为明料即风化泥岩回填。为了研究石灰土换填路基的作显，粘性土路基时最大沉降差为4．48cm，当采用石用，分析时分别考虑路基部分填料为粘性土和8灰土换填路基时最大沉降差为3．75cm。这是由于含灰量的石灰土这2种工况。分析时模型两端横向石灰土压实过后呈刚性特征，因此，能够减小高填方延伸至最大坡高的2倍，底部延伸为坡高的3倍，以的沉降差u。减少模型边界的约束对坡体位移的影响；上部为自参照《客运专线无碴轨道铁路设计指南》关于土由边界，左右为法向约束，考虑填方各层的材料均选质路基工后沉降不大于30mm、差异沉降不大于5rnrn取Drucker—Prager准则为屈服准则，且只考虑自重的要求，表明该断面通过石灰土换填路基能够满足应力的作用。条件。 第5期孙笑，等：石灰土换填路堤的离心模型试验与数值模拟27进行有限元数值分析，表明采用石灰土换填路基能够减小高填方的沉降变形，在一定程度上能够发挥石灰土的刚性作用，使填方的沉降差得到了控制；该高速环道断面通过含水量为8的石灰土换填路基能够满足沉降量及表面沉降差的要求；但是，石灰土换填的作用与填方高度及换填厚度是相关的。-0．166900-0l30219-0．093539-0056859-0020178(3)通过对试验路段选取的4个典型断面进行一O．148560-0111879-0075l99-0．0385l8—0OOl838单位：m离心模型试验以及有限元分析，得出路基采用8(a)采用粘土路基时的填方沉降变化含灰量的石灰土换填，路堤采用现场强风化泥岩填筑，以及路床采用8含灰量的石灰土填筑是可行的，且将离心模型试验与有限元计算的结果进行对比分析，相互验证，两者的变形规律基本一致，有限元计算的结果比模型试验的结果值偏小些；模型试验结果相对数值模拟及理论计算结果都稍稍偏大，O．138508一O．108160一O．077812-0047464-00l7I16主要是由于模型误差引起的。-0123334-0．092966-0．062638-0032290-0OO1941(4)石灰土换填路基对填方路堤边坡的稳定性单位：m(b)路基采用石灰土换填后填方沉降变化具有明显的改善作用，但是，石灰土的含灰量对于石图5高速环道断面模型1沉降变化灰土的性能有着明显的影响。因此，应该进一步研Fig．5Variationofsettlementofthe究不同含灰量的石灰土换填路基时路堤边坡的变形high—speedcircuitsection1和稳定性。—8参考文献：—10References：一12槲[1]李运胜．论汽车试验场的建设与发展EJ]．公路交通科世一l4技，2000，17(6)：5-9．一16LIYun—sheng．Constructionanddevelopmentofpro—vingground[J]．JournalofHighwayandTransporta—05101520253035tionResearchandDevelopment，2000，17(6)：5-9．(in水平测点距离／mChinese)图6高速环道测点沉降曲线[2]方红燕．对中国汽车试验场现状的思考[J]．汽车工业Fig．6Settlementcurvesoftestpoints研究，2009(6)：33—36．inhigh—speedcircuitFANGHong—yan．Thereflectionofthepresentsitua—3结语tionofautomotivetestinginChina[J]．AutoIndustryResearch，2009(6)：33—36．(inChinese)(1)石灰土换填路基后，提高了填方路堤的稳定[3]刘宏，张倬元，韩文喜．高填方地基土工离心模型试性，减小了路堤的沉降变形；离心模型均没有明显的验技术研究[J]．地质科技情报，2005，24(1)：破坏现象，表明原型的稳定性良好；通过观测模型边1O3—1O6．IIUHong，ZHANGZhuo—yuan，HANWen-xi．Cen—坡上的竖直位移，可以看出填方路堤的沉降(竖向位trifugalmodeltechniqueofhighembankment[J]．Ge—移)随着填筑高度的增加呈增大的趋势；通过观测测ologicalScienceandTechnologyInformation，2005，24点水平位移变化，可以得出填方路堤边坡水平位移(1)：103—106．(inChinese)相对较小，但是一般情况下会在坡脚附近发生最大[4]濮家骝．土工离心模型试验及其应用的发展趋势[J]．的水平位移。因此，填方路堤边坡坡脚处易发生鼓岩土工程学报，1996，18(5)：92—93．胀破坏，实际施工过程中必须特别注意保护坡脚的PUJia-iiu．Thetrendofthegeotechnicalcentrifuge稳定性。modeltestanditsapplication[J]．ChineseJournalof(2)通过对石灰土换填路基前后的高填方路堤GeotechnicalEngineering，1996，18(5)：92—93．(in 28长安大学学报(自然科学版)2012丘chinese)oftierodsFJ]．Hydro—ScienceandEngineering，2008[5]赵明阶，王昌贤，杨锡武，等．公路岩堆路基沉降变形(1)：67—72．(inChinese)规律与施工控制深度研究EJ]．岩土工程学报，2010，[11]杜高昱，何成建，郝飞．高填方路堤施工工艺研究32(1)：33-40．[J]．筑路机械与施工机械化，2006，23(8)：46—47，50．ZHA0Ming—jie，WANGChang—xian，YANGXi—wu，DUGao—yu，HECheng-jian，HA0Fei．Researchoneta1．Settlementdeformationpropertiesandconstruc—constructiontechnologyofhighfillembankment~J]．tioncontroldepthofrockheapsubgradeinhighwayRoadMachinery8LConstructionMechanization，2006，23[J]．ChineseJournalofGeotechnicalEngineering，(8)：46—47，50．(inChinese)2010，32(1)：33-40．(inChinese)[12]王家全，周健，丛林，等．高填方加筋新旧路堤现[6]张中云，蒋关鲁．客运专线无碴轨道红层泥岩改良土场试验与数值模拟分析[J]．岩石力学与工程学报，路基离心模型试验研究[J3．铁道科学与工程学报，2009，29(增1)：2943—2950．2010，7(5)：41-46．WANGJia-quan，ZH0UJian，CONGlin，eta1．Analy—ZHANGZhong—yun，JIANGGuan-lu．Researchonsisbetweennumericalandfieldtestsofhighfillrein—centrifugalmodeltestofimprovedmudstoneembank—forcedwideningembankmentFJ]．ChineseJournalofmentforballastedtruck[J]．JournalofRailwaySci—RockMechanicsandEngineering，2009，29(S1)：2943—eneeandEngineering，2010，7(5)：41—46．(inChinese)2950．(inChinese)[7]邹静蓉，杨忠，郑国荣，等．土工格室加筋路堤边坡[13]单国峰，王曙光．高填方路堤施工沉降控制数值模拟离心模型试验研究EJ]．公路工程，2007，32(5)：5-9．分析I-J]．公路工程，2009，34(5)：95—97．Z0UJing—rong，YANGZhong，ZHENGGuo—rong，etSHANGuo—feng，WANGShu—guang．Numericalsima1．Testresearchoncentrifugalmodelofre-inforcedulationonconstructionsettlementofhighfillem—geo—gridembankmentslope[J]．HighwayEngineer—bankmentI-J]．HighwayEngineering，2009，34(5)：95—ing，2007，32(5)：5-9．(inChinese)97．(inChinese)[8]张良，罗强，陈彪，等．基于离心模型试验的软E14]唐双林．高填石路堤施工及其稳定性监测技术[J]．筑基路堤基底压力和垫层筋带拉力分析EJ]．岩土力学，路机械与施工机械化，2009，26(2)：43—45，49．2O1o，31(9)：2772—2779．TANGShuanglin．ConstructionandstabilitymonitoZHANGLiang，LUOQiang，CHENBiao，eta1．Anal—ringtechnologyofhighrock-filledembankment[J]．ysisoftensileforceinreinforcedcushionandpressureRoadMashinerv&ConstructionMechanization，atbottomofsoftsoilfoundationembankmentbased2009，26(2)：43—45，49．(inChinese)oncentrifugalmodeltestsEJ]．RockandSoilMechan—[15]孙笑．长安综合试车场(垫江)高填方路基沉降变形ics，2O10，31(9)：2772—2779．(inChinese)和稳定性研究[D]．重庆：重庆交通大学，2O11．[9]黄茂松，李波，程岳．长短桩组合路堤桩荷载分担SUNXiao．Thestudyonthestabilityandsettlement规律离心模型试验与数值模拟EJ]．岩石力学与工程deformationofhighfillsubgradeforChang’ancom—学报，2010，29(12)：2543—2550．prehensivetesttrackED]．Chonqqing：ChonqqingJiao—HUANGMao—song。LIBo，CHENGYue．CentrifugaltongUniversity，2011．modeltestsandnumericalsimulationofloadsharing[16]孙笑，赵明阶，汪魁，等．长安综合试车场高填方lawforcompositeembankmentwithlongandshort路堤施工沉降控制数值模拟[J]．重庆交通大学学报：pilesEJ]．ChineseJournalofRockMechanicsandEn—自然科学版，2012，31(2)：257—260．gineering，2010，29(12)：2543—2550．(inChinese)SUNXiao，ZHA0Ming—jieWANGKuiet，a1．Nu—ElOj李士林，徐光明．单锚板桩结构码头离心模型试验研mericalsimulationonsettlementofChang’ancompre—究EJ]．水利水运工程学报，2008(1)：67—72．hensivetesttrackwithhighfillembankment[J]．Jour—LIShi—lin，XUGuang—ming．CentrifugalmodelingnalofChongqingJiaotongUniversity：NaturalSci—testsforsheet—pilebulkheadanchoredbysinglelayerence，2012。31(2)：257—260．(inChinese)