季冻区公路软土地基变形数值模拟分析

季冻区公路软土地基变形数值模拟分析摘要：在软土地基上修建高等级公路路基变形与稳定最为关键。为了研究季冻区软土的力学性质，掌握季冻区软土地基固结变形特点，预测在活载（汽车荷载）作用下的路基工后变形，对季冻区公路软土地基稳定性进行了现场监测，并通过试验确定有限元模型计算参数，基于abaqus有限元软件进行季冻区公路软土地基变形数值模拟分析。结果表明，季冻区软土地基受冻融影响较显著，在路堤加载过程结束时，软土地基的变形量占地基总变形量的80%以上；用abaqus有限元模拟计算的侧向位移和竖向位移云图与现场观测结果基本吻合，该方法也可预测工后路基的竖向位移和最大水平位移。关键词：季冻区、软土地基、变形、abaqus有限元、数值分析中图分类号：tu47文献标识码：a文章编号：2095-2104（2012）abstract:forthehigh-gradehighwayonthesoftsoilfoundation,thesteadyofthesubgradeisthemostcrucial.inordertostudythemechanicspropertiesofthesoftsoilintheseasonalfreezingarea,graspthedeformationcharacteristics,andpredictthesubgradedeformationunderthestress(automobileloads),thepapercondustsasitemonitoringtothestabilityofhighwayonthesoftsoilfoundationintheseasonalfreezingarea,confirmsfiniteelementmodelcalculationparameterofbythetest,andmakessubgradedeformationnumericalsimulationbyadoptingabaqusfiniteelementsoftware.theresultsshowthat,thesubgradeonsoftsoilfoundationinseasonalfreezingareahasmoreimpactsfromfreezethawing;atthefinishingoftheembankmentloads,thedeformationamountaccountsformorethan80%ofthetotaldeformationamount;thecloudpictureofhorizontaldisplacementandverticalsettlementsimulatedandcalculatedbyabaqusfiniteelementsoftwareismostlycoincidingwiththeresultsofsiteobservation,whichcanpredictverticalsettlementandthelargesthorizontaldisplacementofthesubgradeaferconstruction.keywords:seasonalfreezingarea;softsoilfoundation;deformation;abaqusfiniteelement;numericalanalysis0、前言北方寒冷地区软土的成因、分布特征和工程性质与沿海的软土有一定得差异，受气候条件限制，软土的施工加载冬季停工期长，夏季施工期短，加载时间比较集中，直接影响到软土地基的排水固结过程和稳定性。寒区湿地软土的特点是含水量大、压缩性高、强度低、透水性差。在软土地基上直接修筑建筑物或进行填土时，一方面地基将由于固结和剪切变形会产生很大的沉降和差异沉降，沉降的延续时间很长，会产生很大的工后沉降量，有可能会影响到公路的正常运营。另一方面在软基上修筑公路时，当加载速度较快时，土体来不及固结，抗剪强度增加不及时，会造成施工期间软土地基失稳[1]。故在软基上修筑高等级公路时，沉降与稳定性是两大突出的问题。一般来讲，在软基上修筑公路前通常根据工程的要求，对软基进行相应的技术处理，目的是加快软土地基的排水固结，提高稳定性，改善行车舒适度。1、试验段及现场监测试验段依托工程国道111是黑龙江省境内8条国道干线公路之一，按一级公路标准进行设计，路基全宽24m，设计速度100km/h，双向四车道。该地区软土分布广泛，软基路段地势低洼，多为湿地和稻田，堆积了较厚的第四系河湖相松散物质。根据钻探及室内试验的结果，在钻孔的深度范围内，根据土的成因，将该地区软土分为两层。为了研究季冻区路堤荷载下软土地基的变形规律，选取了多个典型观测断面，在每个断面路肩、坡脚处设置观测装置进行观测），观测设备于2005年11月初开始埋设，埋设完成后在其表面填筑20~40cm厚填土，进入冬季停工期。对路堤填筑和预压期间的软基变形进行了为期两年多的观测。2、监测结果分析为了便于考虑温度、填土开始时间对软土地基变形的影响，将观测设备埋设完为起始时间（天）对应的日期列于表1中。图1为k9+280断面路肩处竖向位移与温度曲线图，从11月19日（15d）至次年1月9日（66d）沉降磁环的沉降量无明显的变化，从1月9日至2月17日（105d）沉降量有所增大，原因为1月9日至2月17日是当地最寒冷的季节，冻结深度达到最大值，路堤填土形成一定厚度的壳状冻结层，造成边部土压力增大；从2月17日到5月1日（178d），进入春融季节，路堤冻壳层逐渐融化，磁环的沉降量速率明显加快；5月1日开始填土加载，各磁环的沉降量随即明显增加，特别是接近于软土地基表面处的各沉降磁环的沉降量增加更明显。表1时间、日期及填土情况对照表图1k9+280一号磁环竖向位移和温度曲线图软土层越厚，最大侧向位移的位置越深，k9+820断面最大侧向位移发生的位置在1.5~2m左右，k9+280断面最大侧向位移发生的位置在1m左右，其中k9+820断面软土厚度为4.3m，k9+280断面软土层厚度为3.4m。温度变化对软土地基侧向位移的影响主要表现在软土从冻结至融化这一时期。在冻结的过程中由于路堤填土的影响，测斜管外侧软土冻结快，冻胀强，在冻结初期、冻结深度较小处，软土地基呈现出反向的侧向位移，最大位移量接近1.5cm。3、地基变形的有限元分析3.1、模型的建立断面k9+820采用塑料排水板加铺土工格栅进行处理，塑料排水板带宽10cm，按等边三角形布置，间距为1.0m，土工格栅采用钢塑格栅，铺设在排水垫层上。排水垫层采用的是透水性较好的天然砂砾，垫层厚度为1.5m，土的粒径以粗颗粒为主，含泥量小于1%。