下卧粉质粘土回填路基的FLAC3D数值模拟实验与研究.docVIP

下卧粉质粘土回填路基的FLAC3D数值模拟实验与研究 　　摘要：对路基在分层回填时的沉降变形特性进行数值模拟分析，研究不同泊松比和不同重度条件下，路基中心沉降随回填高度的变化情况，得出使用重度较小和泊松比较小的回填土能改善路基中心的沉降，且重度对路基中心沉降的影响相对泊松比更加的明显，因此在满足规范和施工条件下，优先选择重度较小的回填土。 　　关键词：重度；泊松比；沉降；FLAC3D数值模拟； 　　中图分类号： U231 文献标识码： A 　　0引言 　　FLAC是快速拉格朗日差分分析[1]（Fast Langrangrian Analysis of Continua）的缩写，在运用FLAC 求解时，对模型经过网格划分后，把质量集中到各相应结点上，在每一显式时步内，通过结点所受的不平衡力计算出新的速率与位移，根据本构方程得出新的应力或力以作为下一时步的初始不平衡力，如此反复循环直到模型稳定为止（如果不平衡力足够小）[2]。该程序能够较好的模拟地质材料在达到强度极限或屈服极限时发生的破坏或塑性流动的力学特性，特别适用于分析渐进失稳性破坏以及模拟大变形[3-5]，利用FLAC 有限差分程序计算地基沉降,不仅可以得出地基的位移等值线图和矢量图, 而且由于只需按天然土层来划分计算层，可节省大量的计算时间[6-7]。本文采用 FLAC-3D模拟某段高填方回填路基的大变形，为控制路基的沉降变形和优选回填土提供理论依据。 　　工程概况 　　如图1所示，路基计算深度为50m，分为两层，路基上部为回填土，厚度为10m，下部为粉质粘土，厚度为40m； 路基计算宽度为200m，填筑高度为5m，坡度为1:1.5。各土层的物理、力学参数如表1所示。 　　 　　图1 路基施工几何模型 　　表1 各土层物理力学参数 　　土层名称 ρ/kg·m_3 #1010;/kPa #981;/(o) E/MPa ν 　　回填土 1500 10 15 8 0.33 　　粉质粘土 1900 20 20 5 0.35 　　 　　建立模型 　　2.1建模思路 　　由于路堤断面具有对称性，因此可选择对称的一半断面进行建模。首先建立坐标系，坐标系的原点设置在路基表面与模型对称轴的交点，水平向右为X轴方向，竖直向上为Z轴方向，垂直于分析平面的方向为Y轴方向。根据本例土质情况，本文运用摩尔－库仑(Mohr-Cou lom)模型进行计算[8] 　　2.2网格建立及边界条件 　　由于本例中主要考虑路堤堆载产生的影响，因此在确定网格数量时要考虑路堤附近区域网格具有较大的密度，而较远的区域可以利用渐变网格的办法设置较少的网格。建立的网格模型共计320个网格，720个节点。网格建立后，设置边界条件，对底部边界节点的x、y、z三个方向的速度进行约束，即将其简化成固定支座，对x两侧进行水平速度约束，对y方向上所有节点的y方向上的速度均进行约束，即将此问题简化成平面应变来分析。 　　3 计算及分析讨论 　　3.1 初始应力计算及分析 　　施工前，需将路基部分赋值为空模型，将地基部分赋值为Mohr模型，由于本例存在null模型，所以采用分阶段的弹塑性求解方法。先将Mohr模型的粘聚力#1010;值和抗拉强度t赋值为无穷大进行求解，保证在重力作用下单元不至于发生屈服，再将Mohr模型参数赋值为真实值，然后进行求解。 　　3.2 施工过程模拟 　　在初始应力计算结束后，分层填筑进行计算。在后处理时，可得土体的水平位移、沉降、应力等云图与曲线。由图2可知，路堤堆载作用引起的地基沉降最大值约为44cm，且最大沉降位置位于路堤中心点处。通过图3可知，水平位移主要发生在坡脚以下一定深度处，最大水平位移约为8cm。 　　 　　图2 填筑结束时的沉降云图 图3与水平位移云图 　　3.3绘制沉降曲线 　　本工程关键点为路基中心节点和坡脚节点，其沉降曲线如图4，由图可见，路基中心的沉降大于坡脚的沉降，因此在研究和施工的过程中，需特别关注路基中心的沉降变化情况。 　　 　　图4 关键点沉降曲线 　　3.4不同重度 、泊松比下的路基沉降分析 　　根据FLAC3D数值模拟实验的数据结果，分别绘制了不同重度和不同泊松比下的路基中心沉降曲线，如图5、图6，可以看出，路基回填土泊松比越小，重度越大，路基中心沉降值越大。并且，重度对路基中心的沉降影响较泊松比更显著，因此，在选择路基回填土时，优先选择重度较小的回填土，以减小路基中心的沉降。 　　 　　图5 不同重度的路基中心沉降曲线 　　图6 不同泊松比的路基中心沉降曲线 　　4 结论 　　 （1）通过FLAC3D数值模拟实验，验证了下卧粉质粘土路基的中心沉降大于坡脚的沉降，因此，在施工时要随时注意路基中