高填方块碎石夯实地基变形的研究

第２４卷　第ｌ期　砌年　岩土工程学报　Ｖｏ１．２４　Ｎｏ．１　１月　ｃ　ｌｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ。ｆ　Ｇｅｏｔｅｅｌ￣ｉｅａｌ＆　ｎｅｅｒｉＩｌｇ　Ｊａｎ．，２Ｏ０２　高填方块碎石夯实地基变形的研究　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｒｏｕｎｄ　ｕｎｄｅｒ　ｈｉｇｈ　ｆｉｌｌ　ｏｆ　ｂｌｏｃｋ　ａｎｄ　ｄｅｔｒｉｔｕｓ　谢春庆　，刘汉超　，甘厚义　（１．西南交通大学土木学院，四ＪＩＩ成都６１００３１江．成都军区空军勘察设计院，四川成都６１００４１　３．成都理工大学，四川成都６１００５９；４．中国建筑科学研究院，北京ｌ０００ｌ３）　摘要：依据贵州ｘ机场、云南Ｙ机场变形监测的数据，采用公式试算、沉降数理统计、二维和三维模型的数值模拟方法进行了高填　方块碎石夯实地基变形分析，并提出了实用的估算公式。　美ｔ词：高填方；块碎石；夯实地基；变形；数值模拟　中固分类号：ＴＵ４３３　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—４５４８（２００２）０１—００３８—０４　作者简介：谢春庆（１９田一），男，四川大邑人，２∞１年于成都理工大学获地质工程专业博士学位，同年进入西南交大博士后流动站，　主要从事岩土工程方面的工作。　ＸＩＥ　Ｃ＆ｕｎ－ｑｉｒｉｇＩ　，ＬＩＵＨｎｎ—ｃｈ　，ＣＡＮＨｏｕ一　＿（１．　肺嘲　‰　６１００３１．‰；２．ＰＩｏｓ　Ｄｅｓｉｇｎｍ　ｅ　ｏｆ‰　Ⅷ　Ｇ∞ｍｎＡｌｌ　，‰　６１（］０４１，Ｃ［１ｄＤａ；３　０蛐自血ｕｍｖａ面哼　由∞ｌ０　，０蛐自血６１００５９，ｃ　；４．０血ｅ篮ＡｒｄＩｉ蛾劬脚Ｐ．ｅｓｃ￣ｃｈ嘶ｎ船，Ｂｄｊ咄１０００１３，＿ｃ№）　＾ｂｇ【ｒａｃｔ：腑＇蚵　∞ｍ　ｓ　ｃ　。ｄ　ｂｙ　ｏｆｔｈｅｃ￣ｃａｌｆｏｎｎｎｌａ，ｓＬｌｂ　∞∞ｓｔａｉｆ，￣＇ｃｓ，２－Ｄ　ａｎｄ　３－Ｄ　ＴｒⅢ　ｃａ１　蚯０ｎ　ｂ删∞　ｍ魄ｄ加Ｉ叫ｄａｔａ　ｏｆＧ　吐吼Ｘ　ａｎｄＹ山蛳Ｙ　ｒｐｏ　．　１白ｙ　ｗｏｒ惜：ｌ哇　衄ｌ；ｂｋ吐ａｎｄ　ｄｅ啊吣；ｐ　ｌｄｎｇ　ｇｒｏｕｎｄ；ｄｅ如衄曲ｎ；ｎｎｍｅ￣ｃａｌ血眦ｌａｄ州　ｌ　翮　酋　３实用的估算公式　根据上述两机场的监测数据，作沉降Ｓ、填高ｈ，变　形模量Ｅ的多种曲线回归方程。其中，ｓ—ｈ，ｓ—ｈ　，ｓ　／Ｅ，Ｓ一＾　／　Ｅ　曲线较理想，Ｓ—ｈ２／　Ｅ　曲线相　对最理想，图１为其统计曲线。根据回归方程，结合其　一　随着国家经济的发展，在山区的机场、公路、铁路　等重点建设突飞猛进，牵涉的深挖高填工程越来越多，　其中填方区地基大多是块碎石填筑，一般采用强夯击　实。这些项目对地基的变形要求很高，尤其是机场，其　工后沉降要求＜５　ｃｍ，不均匀沉降＜１．５‰。但由于各　种原因对块碎石填筑地基研究很少，开展此类地基的　研究具有重要的意义。　它的经验公式，提出如下的块碎石工后沉降估算公式：　式中　Ｓ　为机场高填方夯实地基工后沉降，ＩⅢＩ１；ｈ为　２现行公式试算　对高填方块碎石夯实地基的变形计算，还未见报　道，用国内外现行的公式对贵州Ｘ机场、云南Ｙ机场　块碎石夯实地基变形试算，其中主要的几个公式计算　结果列于表１。　表１中计算采用的变形模量：云南Ｙ机场为２５　Ｍ　，贵州Ｘ机场为５７２　ＭＰａ。建筑规范法计算结果　未作修正，因为规范中给出的校正表中最大的变形模　量为２０　ＭＰａ，而实际模量大于２０　ＭＰａ。若按计算值乘　以０．２的系数，则规范法计算值多小于实测值，这与细　粒土在模量较大时，实测值小于计算值的规律相反，所　以规范公式不能简单地用来计算块碎石地基的沉降。　工程地手册、劳顿和列斯特公式、顾尉慈公式、铁路工　程法计算结果与实测值相差都很远，都满足不了生产　要求。　填筑高度，ｍ；Ｅ为填筑体变形模量，ＭＰａ。　固１贵州Ｘ、云南Ｙ机场填筑体变形曲线夏方程　心．１　Ｓ￣ｉｓｉｆｃａｌ　ｃＩ　ｖｅ　ａｎｄ　ｎｍｌａ　ｏｎ出　ｎ蚍ｉ。ｌ１　０ｆ删ｉｎｇ　ｉｎ凸Ｉ　Ｘ　ａｎｄ　Ｙｕｎｎ￣Ｙ　ａｉ￣ｃｃｔ　收稿日期：２００１—６５—１７　维普资讯 http://www.cqvip.com

第ｌ期　谢春庆，等高填方块碎石夯实地基变形的研究　３９　：９．５ｍ　ｌ　３　１．７　３．０　４　４　５．５　５　９　７　０　０　８　ｌ　２　１．２　１．２　ｌ　２　３０．０　４２　５　７９．０　３０．８　ｌ０２　８　２１６．８　３８９　９　５４６．８　９９０．０　贵州Ｊ场Ｈ：１７　５　ｍ　Ｈ：２５５ｍ　．ｌ－３　３　８　＇７３．２　ｌ２８．８　２００．０　２５７．７　１１５．８　１５６．０　ｌ８ｓ．２　赢　：　＝Ｈ：如　５ｍ　５４　５　ｍ　５．６　７　９　１１．８　１．２　４０２．９　２５ｏ　３　注：表中ｓＩ　为工后宴测沉降。建筑规范法见ＧＢＪ　７—８９规范５　２　５式；工程地质手册法为　：尸。６一　毒里—　｝　符号意义见《工程地质　手册》４—３一ｌ０式；菏顿和列斯特公式为ｓ　＝０．００１／￣，Ｓ　为最终沉降；　为坝高；颢尉慈公式为　。：　ｅ一　，　为埂高．量为运行１年后的沉　降，　，ｎ．ｍ为参数；铁路工程｛告为　：　为填高．ｓ　为工后沉降．Ⅱｌｒ　表２是该式工后沉降的计算值及误差值表。　襄２云南Ｙ机场和蠹州ｘ机场工后沉降计算结果　叫ｅ　２　ｃ蛊　ｌＩａ　ｌ　ｄｅｈ删　蚰面ｅｒ　ｅａｎｓｍ￣ｏｎ　ｂ）云南Ｙ机场的１　ＳＩ　一ＳＩ　１比贵州ｘ机场的　小，相对误差也比贵州ｘ机场的小，可能的主要原因：　①云南Ｙ机场填筑体变形模量小，变形大，计算的相　对误差要小一些；②贵州ｘ机场变形模量大，变形小，　测量误差对观测成果的相对影响要大一些。　ｃ）贵州ｘ机场相对误差≤２０％的，占４２．３％；≥　５０％的，占２８．６％，个别点相对误差大于１００％。但这　些点的工后沉降实测值为１．２—１１．８　ｍｍ，ｌ　ｓ　一ｓＩ　ｌ≤５　５　ｆｉｌｍ，对于生产要求（≤加ⅡⅡＩ１）的影响不大。相　对误差大的原因主要是计算公式中分母ｓ　小。　工程填筑实测沉薛计算沉薛Ｉ　ｓＴ　一ｓ工　Ｉ　Ｉｓ工　一ｓ【　Ｉ　高度５Ｉ　ｓ　—　＿　名祢，Ⅲ　，ｍ　，ｎｎ，ｍ　，％　４二维模型研究　山区机场高填方原地面地基有以下几种情况：一　是全是基岩；二是原地面土层很薄，经过处理后，力学　性质很好，变形模量很大，变形很小．可以忽略；三是原　地面土层很厚，在上覆填筑体的作用下，变形很大　前　两种情况，基岩和薄土层的变形微小，填筑地基的变形　主要为填筑体的变形。根据有限元位移法的原理，编制　了分析自重荷载作用下的填筑体的应力、应变及位移的　有限元分析程序　，并对贵州ｘ机场块碎石填筑体夯实　地基沉降进行计算。图２为场道地基概化的地基地质　模型，图３为边界条件。考虑对称性，采取半幅机场跑　道的填筑体，因此中轴线上水平位移为零。原地面灰岩　及处理后的簿层土层变形忽略，可假定原地面地基与填　筑体接触面上的垂向位移为零。故边界条件可假设为　从表２可得：　ａ）两机场实测工后沉降值与计算工后沉降值之差　绝对值≤５．５ⅡⅡｎ。　图３形式，即在中心线上，　方向受约束；在高填方底　面，Ｙ方向受约束，其它为自由。采用正方形和三角形　单元，共１１２个单元，３８１个节点。图４为数值模型。　维普资讯 http://www.cqvip.com

岩土工程学报　２００２　表５贵州Ｘ、云南Ｙ机场实测的工后沉降与计算沉降　Ｔａｂｌｅ　５（ｋ吐】　）　８０ｎ　ｏｆ　ｍｃａｓｍ＇ｃｄ　ａｎｄ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ　一Ｆ　．３　Ｂ０ＩⅡ－　３０ｍ　ｌ　ｃⅢ“ｄ∞ｆｏｒ　ｃａｌｃｕｌａ￣ｏｎ　１Ｂ０ｍ　Ｉ　　分析表５，填筑体的工后变形与实测值基本一致，由　围３贵州Ｘ机场二堆弹性有限元计算的边界条件　此说明，块碎石夯实填筑体可近似地按弹性模型考虑，　用总沉降的１０％来估计工后沉降可满足生产要求。　５三维模型研究　填方高度大、填筑周期长、填筑体不同横断面上的　边界条件差异大是高填方地基的一般特点。三维模型　能考虑边界的多样性、原地面地基与填筑体之间的耦　合变形等，能比较客观地反映填筑地基变形的实际。　文中采用对岩土体变形和稳定性有充分可靠性的３－Ｄ　ＦＬＡＣ程序对贵州ｘ机场试验段进行三维数值分析　－。　５．１计算模型　围４贵州Ｘ机场二维弹性有限元数值模型　Ｆ　．４　ＮｍＨ　ｒｏ￣ｘｌｅｌ　￣ｌｔａｔｉｏｎ　计算模型选定在贵州ｘ机场高填方强夯试验区。　模型中第１层为灰岩，第２层为处理后的红粘土层，第　３层为块碎石填筑体，其中３一ｌ层为土面区的填筑　体，３—２层为道槽区的填筑体。　根据地基处理试验报告，道槽区坡比１：１。土面区　假定土面区填筑体、道槽区填筑体、灰岩各为各向　同性的连续介质。填筑体的变形主要由自重引起的。　由于作用的瞬时性，飞机的荷载忽略。假定填筑体为　弹性，材料性质用变形模量代替弹性模量（这与计算附　加应力作用下地基沉降相一致）。填筑体变形计算参　数、计算结果（填筑体总沉降）列于表３，４。工后沉降　主要是在自重应力作用下的蠕动塑性变形。通常情况　下，蠕动变形约为填筑体总变形的１０％，即　Ｓ：０．１Ｓ　（１）　为１：１．７５。本次计算所采用的参数如表６，计算模型　如图５所示。　表６　ＦＬＡ．Ｃ模型计算所采用参数　Ｔａｌａｌｅ　６　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ＦＬＡＣｍ０ｄｄ　土的　容重　变形（压缩）泊松比内摩擦角粘聚力　类型　／（ｇ・ｃｍ。）　模量，加】ａ　，（。）　／ｋＰａ　式中　Ｓ为填筑体的蠕动变形；Ｓ　为填筑体的总变　形。表５列出了贵州ｘ、云南Ｙ机场实测的工后沉降　与计算沉降。　表３填筑体变形计算参数　Ｔａｂｌｅ　３　Ｐｈ“岫＊ｔｅＩｓ　０ｆ　ｍａｔｅｒｉａｌ　本次计算划分出４０００个单元，节点４９３５个，模型　计算大约需要１０　ｈ。　５．２地基及填筑体的变形特征　表４跑道中心线沉降计算结果　１　４　Ｃａｌｃｕｌａ￣∞ｍｅｎ　图６，７是模拟飞行区在飞机荷载（７２　ｋＰａ）作用下的　变形等值线图。从圈６，７可以看出，在填方过程中或填　丝　２６．１　望壹　计算沉降值，ｒｔｍａ　！　３．５　７．２　塑　１９．７　方完成后，在填筑体中，总位移（指　，Ｙ，　三个方向的合　位移）最大出现在土面区填方最大，且邻近坡面的部位　维普资讯 http://www.cqvip.com

第１期　谢春庚，等．高填方块碎石夯实地基变形的研究　４１　闺５贵州Ｘ机场矗填方块碎石夯实地基的ＦＬＡＣ模型　Ｆｉｇ．５　ＦＬＡＣ　ｒｌ　０ｆｖ，￣ｍｄ　ｕｎｄｅｒ　ｈｉｇｈ皿０ｆ　ｂｌｏｃｋ　ａｎｄ　ｄｅｕｉｔｕｓ　ｉｎ　Ｇｕｉｒｌｘ￣Ｘ　ＪＤ０ｎ　（道槽区东侧），其值为２６．８３　ｃｍ；道槽区总位移０～７．５　一；　方向（即竖直方向的位移或沉降变形）的位移主要　发生在土面区，最大位移区域与总位移最大值基本一　致，其值为２６．３　ｃｍ，这表明试验区填筑体的总位移主要　受沉降变形的控制。道槽区填筑体的沉降变形值为７．５　一，反沉降（即填筑体隆起，另文专述）最大值为０．９一。　闺７贵州Ｘ机场矗填方块碎：　舟实地基变形稳定后　方向的位移等　线围　Ｆｉｇ　７　ｆ　Ｔ　ｃｏｎｌｏｕｒ　一ｄｉｓＤｌａｃｅＩＩ・ｅｍ　根据填筑体工后沉降一般约等于总沉降的１０％，　可以估算出土面区最大工后沉降约２．６３　ｃｒＩ１，道槽区最　大工后沉降约７．５ｍｍ，反沉降约０．９一。这与实测值　十分接近。　通过分析贵州ｘ机场高填方块碎石夯实地基的　变形等值线图，可以得出：　（１）机场高填方块碎石夯实地基的变形与填筑的　高度、变形模量有关　填筑高度越大，变形越大；填筑　体变形模量越大，其变形就越小　（２）块碎石填筑体的变形与所处的部位有关，在同　等条件下，越靠近中心部位，变形越小，反应了内侧填　筑体变形受外侧填筑体的约束　（３）填筑体总的位移方向是向填筑体的两侧，优势　方向为填方高度大、具临空面的一侧。　５．３地基及填筑体的稳定性特征和潜在滑面的分析　大量理论分析，实践结果表明，岩土体失稳（特别　是滑动失稳），都是沿剪应变最大的部位发生。图８是　剪应变增量图。从图８可以看出，填方后剪应变增量　较大的部位主要沿硬的基座（灰岩）和其上相对较软的　土体两者的接触面分布，也即灰岩与红粘土的接触界　面分布。其中，在填筑体的西侧坡脚部位，其与原地面　地基交界面附近剪应变增量较高。因此，可以得出如　下结论：填筑体和原地面地基所构成的系统，在底部基　岩与上部土体的接触面上，特别是在该面西侧的中下　段，成为薄弱部位的可能性较大。这与工程实践常出　现的问胚的部位相同。　闺８贵州Ｘ机场商壤方块碎石夯实地基剪应变增量闺　Ｆｉｇ　８　Ｃｇ）ｌｆｔｏｌｌｒ　ｏｆ　ｓｈｅ￣ｒ　ｔ１　ｉｎｅ￣ｔ　６结　语　现行的变形计算公式不适宜高填方块碎夯实地基　的变形计算，实践证明考虑模量的经验公式和数值分　析法是计算块碎石夯实地基的有效手段，具有较强的　推广价值。　参考文献　［１］周虎鑫，陈荣生．机场高填方填筑俸变形有限元分析［Ｊ：．地　基处理，１９９７，８（１）：２７—３３．　［２］谢贻全，等．弹性和塑性力学中的有限单元法［Ｍ］．北京：机　械工业出版社，１９８３．　［３］谢春庆．山区机场高填方块碎石夯实地基性状及变形的研　究［０　．成都：成都理工大学，２００１．