此处，应用荷兰开发的有限元软件Plaxis，建立如图4-10所示的斜坡软弱地基路堤全结构平面应变数值分析模型，地基宽度为120 m，依据《铁路路基设计规范》[4]，选取路堤顶面宽为7.5 m，路堤边坡坡比为1∶1.5，路堤填高为8 m，地面横坡坡比为1∶m，软弱层厚度为Hw，软弱层层顶至地基顶面的距离为H。......
2023-10-03
数值分析模型建立斜坡软弱地基的力学行为及工程对策研究
【摘要】：图6-29碎石桩与抗滑桩联合加固计算模型示意图6-30FLAC3D网格6.5.1.2材料本构模型及参数参考文献[1]，土体材料采用Mohr-Coulomb本构模型，具体参数见表6-1所列。表6-3加固区域土体材料参数6.5.1.3边界条件与动态施工力学行为模拟模型的左右两侧施加X方向上的约束，前后两面施加Y方向上的约束，底面施加Z方向上的约束。
6.5.1.1 基本计算模型
碎石桩与抗滑桩联合加固斜坡软弱地基路堤的FLAC3D数值分析模型见图6-29。其中，地面横坡坡比为1∶10，表层斜坡软弱层厚6 m，路堤顶面宽7.5 m，路堤边坡坡率为1∶1.5，路堤中心线填高为7.88 m。在路堤荷载作用范围内，斜坡软弱层采用碎石桩和抗滑桩联合加固，碎石桩桩径0.4 m，桩长6 m，呈桩距2 m的正三角形布置；抗滑桩截面尺寸为1.5 m×2.5 m，桩长20 m，纵向桩距6 m。碎石桩加固区域及抗滑桩桩位如图6-29所示。一共开展无加固措施、碎石桩加固、抗滑桩加固及碎石桩与抗滑桩联合加固等4组计算。前3种工况均可由图6-29所建立的模型退化而得。取一跨进行分析，图6-30为采用六面体与楔形体单元离散后的FLAC3D有限差分网格，在路堤与斜坡软弱层等重点区域网格适当加密。
图6-29 碎石桩与抗滑桩联合加固计算模型示意（单位：m）
图6-30 FLAC3D网格
6.5.1.2 材料本构模型及参数
参考文献[1]，土体材料采用Mohr-Coulomb本构模型，具体参数见表6-1所列。暂未考虑土体的剪胀性，土体的抗拉强度按照软件默认执行。
利用FLAC3D软件中内置的Pile单元模拟抗滑桩，抗滑桩的重度为25 kN/m3，弹性模量为2.5×104 MPa，泊松比为0.15；通过法向、切向耦合弹簧模拟桩-土之间的相互作用，参考文献[1]，桩-土耦合弹簧参数见表6-2。假定无措施与碎石桩实施两种工况下，进行抗滑桩加固时桩-土耦合弹簧参数相同。
碎石桩加固后形成复合地基，根据文献[35，6]所述方法对斜坡软弱层加固区域土体材料的相关参数进行等效，其中包括考虑桩体应力集中与面积置换率的复合地基的抗剪强度指标csp、φsp，及考虑面积置换率的复合模量Ec和复合地基重度γc。泊松比μ暂不作调整。
公式如下：
式中 cs、φs——原土的抗剪强度指标。
cp、φp——桩体的抗剪强度指标，cp＝0。
ω——系数，与桩体应力集中系数及面积置换率有关，ω=mμ。
μ——应力集中系数，μ=n/[1+（n-1）m]。
m——面积置换率，m=d2/de2。其中：d为桩体直径（m）；de为单桩分担的处理地基面积的等效影响圆的直径（m），等边三角形布桩de＝1.05s，正方形布桩时de＝1.13s，矩形布桩时
，s、s1、s2分别为桩的间距、纵向间距及横向间距。
n ——桩土应力比，无测试资料时，黏性土取n＝2～4，粉土和砂土取n＝1.5～3.0，原土强度低时取大值，反之取小值。
Ep、Es——桩体和土体的弹性模量。
γs、γp——地基土和散体材料桩的重度。
因无实测资料，根据文献[36，37]及工程经验暂取碎石桩内摩擦角φp=40°，重度γp＝21 kN/m3，鉴于软弱层的强度偏低，根据规范要求取大值，不妨取桩土应力比n＝4，碎石桩的泊松比μp取0.25，弹性模量Ep＝20 MPa。经碎石桩加固后斜坡软弱复合土层的材料参数如表6-3所列。
表6-3 加固区域土体材料参数
模型的左右两侧施加X方向上的约束，前后两面施加Y方向上的约束，底面施加Z方向上的约束。分层填筑通过“model null”命令实现，依实际施工过程，先不考虑碎石桩与抗滑桩，使用“model null”命令将路基部分的单元赋值为空模型，假定地基为理想线弹性体，计算未填筑之前地基的初始应力场；然后激活抗滑桩，赋予碎石桩加固区域复合土体的材料参数，并调整斜坡软弱层非加固区域、下卧刚硬层等为Mohr-Coulomb材料，激活第一层土体，并进行求解；路堤共分9层填筑，每次填筑都进行求解，以模拟路堤的水平分层逐层填筑。
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