摘  要：本项目是为了确保铁路建成后在使用年限内正常工作，研究立足FLAC3D［8-9］数值模拟分析路基稳定性能，优化施工中解决路基不均匀沉降带来的危害，保证轨道路基能够安全运营。研究针对铁路路基整体稳定性分析，从路基稳定性评价标准［13-14］、铁路路基受荷载、路基岩土体参数、极限平衡分析法和有限元方法着手进行综合分析和研究，得到了一些有益结论，并对进一步需要 研究的工作进行了总结应用到工程实际，指导施工，优化施工[]工艺，提供了一种桩基加固不稳定路基的处理方法。具体方法是基于《铁路路基设计规范》对路堤边坡形式和坡率的要求，考虑填料物理力学性质及列车荷载，将边坡坡率为1∶1．5，路肩宽度为1 m，坡高分别为6 m、8 m、10 m的路堤断面作为细粒土、碎石土、所对应的填料直线型路堤边坡标准断面。采用FLAC3D数值模拟软件进行建模分析，地基土采用弹性本构，路基采用摩尔库伦本构模型，模拟施工中分层法进行填筑上层土。涉及到公路高边坡稳定性的岩土体力学参数有：强度参数c（粘聚力）、ϕ（内摩擦角）；变形参数E（弹性模量）、ν（泊松比）、ψ（剪胀角）；其它参数如γ（容重）、ω（含水量）等。各参数一般通过室内试验、现场调查和试验、相关经验及反算等方法综合确定。优化路基施工方案，对于计算出软弱滑动面的路基模型，采用CFG桩［10］加固模拟，让路基沉降和稳定性在规范值以内。

关键词：FLAC3D软件 轨道路基 高填路基 极限平衡法

1 引言

路基的填筑是道路施工过程中的一个重要环节，它也是道路设计的前提。评价路基稳定性时要考虑周围工程地质条件、水文地质条件、边界条件，材料的三维力学行为及其塑性屈服、大变形等，除一些特殊或简单的情况外，往往很难得到其解析解。近几十年来，随着计算机技术的发展和应用，数值模拟方法在岩土工程问题分析中得到了广泛应用，并取得了很大的进展。数值方法突出优点是能够代替昂贵且费时的物理试验，对所研究的问题进行数值模拟。"其中以三维快速拉格朗日分析程序（ Three Dimensional Fast Lagrangian Analysis of Continua ）最为著名，它是美国明尼苏达 I t a s c a 公司基于显式差分法编制研发的连续介质力学分析软件，该方法能够采用不同的土体本构模型及边界条件，对施工工况进行动态模拟，因此较理论分析方法更接近于工程实际情况。本文采用FLAC3D数值模拟软件对某公路路基在填筑过程中的沉降及稳定性进行数值模拟分析，此方法提供清晰的可视化分析，便于工程运用，对其它类似工程有一定的参考价值。

2 路基破坏研究机理

中国高速铁路发展速度越来越快，“中国速度”也受到世界的关注。目前我国高铁运营的总里程达到4万公里。在高铁逐渐受到国家重视的同时，也走出了国门，迈向世界。在超过100年的使用寿命期间，高速列车的安全性和舒适性也被逐渐提高，这就要求对轨道路基系统的性能有更严格的要求。例如，要达到毫米级，有适当的动态刚度，以及长期耐用性。在极端气候条件下，如暴雨、持续干旱、极端低温或高温，长期动态轨道路基上的荷载将导致许多工程问题，像混凝土板开裂，路基填料压实度不够，以及轨道路基施工过程中外部雨水和温度对轨道路基结构结构的侵蚀。这些工程问题已在许多运营中的高速铁路都出现过。路基是铁路基础，路基的稳定性将影响整个铁路的使用性能。同时经过很多工程实际验证，路基的的稳定性也将影响到铁路交通的安全性。为保证铁道在施工过程中处于稳定状态，必须对其进行路基稳定性予以分析。研究立足FLAC3D数值模拟分析路基稳定性能，优化施工中解决路基不均匀沉降带来的危害，保证轨道路基能够安全运营。

路基是铁路基础，路基的稳定性将影响整个铁路的使用性能。经过很多工程实际验证，路基的稳定性也将影响到铁路交通的安全性。

路基自重一般较大，且填料性能相对复杂，因此沉降[1]是高填路基不容忽视的质量控制关键因素。但由于沉降发生较慢，所需年限较长，所以长期观测沉降变化非常重要。路基边坡稳定性[2]问题一直以来收到工程领域的关注。相对于一般路基而言，高路基通常具有如下几个特点：

（1）高路基填筑高度一般较大，所以必须进行边坡稳定性验算，要求路基自身具有足够的强度以及整体稳定性。

（2）高填路基一般填筑面积以及土石方工程量较大，路基压实质量较难控制，在道路使用年限内沉降病害以及稳定问题凸显，所以对施工质量控制技术要求一般较高。

（3）路基自重一般较大，且填料性能相对复杂，因此沉降是高填路基不容忽视的质量控制关键。但由于沉降发生较慢，所需年限较长，所以长期观测沉降变化非常重要。

单纯利用极限平衡方法计算铁路路基的稳定性结果往往并不十分理想。武鹤等［4］利用楔形极限平衡法，考虑滑动面端摩阻力的影响推导出了边坡安全系数的公式，同时又讨论了边坡融化深度、土体黏聚力、内摩擦角、饱和重度等与安全系数之间的关系。但其并没有考虑融化层土体力学性质的改变等影响因素。李永亮等［5］通过有限元强度折减法和传统极限平衡法的对比，利用数值模拟的方式，探究了三种失稳判断标准的适用性。

但其只是考虑了在判别是否失稳时的标准，并未从根本上探究失稳的原因。还有学者采用了强度折减法，通过不断对土体的黏聚力和内摩擦角进行强度折减或者通过不断对土体尝试加载以使得边坡达到极限状态［6］。Pei等［7］对普通路基和块石护坡路基在四个不同季节的应力应变状态进行了计算分析，同时给出了两种路基在不同季节的安全系数计算结果。

4 FLAC 3D软件

FLAC3D（3D Fast Lagrangian Analysis Code）是一款基于连续介质理论和显式有限差分方法开发，广泛用于岩土、采矿工程分析和设计的三维高端数值分析程序，特别适合处理有限元方法（FEM）难于解决的岩土体复杂课题，典型如复杂多工况、大变形、非线性材料行为、失稳破坏的发生和发展。

FLAC3D基本承袭了FLAC程序的计算原理，并将分析能力作进一步延伸而拓展到三维空间。算法背景、专业理论及针对性行业的先后沿承关系决定了FLAC3D程序总体继承了FLAC程序的优势性技术特点，但不否认二者在具体技术处理环节上各具特色，从应用选择角度出发，有必要洞悉、理解方法意义上的关键差别：

FLAC、FLAC3D分别从二维、三维的角度来描述物理介质，显然三维分析方法可以更为真实的描述介质体形体特征、受力条件及其相应的应力应变性质，体现出两款程序之间的本质差别；

在建模环节，现实物理模型对平面模型前处理技术的要求相对较低，因此FLAC采用先生成总体GRID网格并进行局部修正获得最终网格形态的单一化建模方法，与此不同地，FLAC3D则提供多样化建模手段及其接口技术以满足不同工程类型、复杂层次的模型构建的需要，如内置常规模型模板、内置可视化结构化网格工具—Building Blocks、基于封闭几何模型的网格自动生成工具（简化版Kubrix）等，并提供与ANSYS、ABAQUS等主流有限元程序之间进行模型交换的数据接口；

FLAC、FLAC3D程序在力学模型库丰富完善过程中的侧重点不同亦体现出两者在分析功能层面上的细微专业差别，如在饱和—非饱和流体处理环节，FLAC程序植入了更为准确的水土特征定律，并可考虑水—气二相介质流动，本质上比FLAC3D所采用的经验理论更为完善一些，而在蠕变分析环节，FLAC3D所拥有的模拟手段比FLAC更为丰富；

在特定条件下，FLAC3D程序可以蜕化为FLAC程序，尽管FLAC3D的开发初衷是描述三维空间内物理介质的力学行为，但FLAC3D同样具备二维空间即平面分析能力，如FLAC3D同时提供平面应力、平面应变分析解决手段；

为满足非常规问题的应用研究的需要，FLAC3D在自身发展过程中也形成了一些区别于的FLAC程序的专业技术，典型如针对岩体结构面增加的遍布节理模型和三维裂隙网络模拟技术（DFN）、以及针对矿山崩落法开采开发的HoekCave本构模型等，体现了FLAC3D特定专业环节上的国际前沿地位。

简而言之，FLAC3D软件是专为岩土工程领域开发的软件，用于处理土，岩石，地下水，地热以及地层支护。作为一款耳熟人详、基于有限差分的大型岩土工程数值分析软件，随着其不断的迭代更新，如今ITASCA官方已经发布其7.0版本。

5  软件分析结果应用

基于《铁路路基设计规范》对路堤边坡形式和坡率的要求，考虑填料物理力学性质及列车荷载，将边坡坡率为1∶1．5，路肩宽度为1 m，坡高分别为6 m、8 m、10 m的路堤断面作为细粒土、碎石土、所对应的填料直线型路堤边坡标准断面。

采用FLAC3D数值模拟软件进行建模分析，地基土采用弹性本构，路基采用摩尔库伦本构模型，模拟施工中分层法进行填筑上层土。涉及到公路高边坡稳定性的岩土体力学参数有：强度参数c（粘聚力）、ϕ（内摩擦角）；变形参数E（弹性模量）、ν（泊松比）、ψ（剪胀角）；其它参数如γ（容重）、ω（含水量）等。各参数一般通过室内试验、现场调查和试验、相关经验及反算等方法综合确定。

优化路基施工方案，对于计算出软弱滑动面的路基模型，采用CFG桩［10］加固模拟，让路基沉降和稳定性在规范值以内。

研究针对铁路路基整体稳定性分析，从路基稳定性评价标准［13-14］、铁路路基受荷载、路基岩土体参数、极限平衡分析法和有限元方法着手进行综合分析和研究，得到了一些有益结论，并对进一步需要研究的工作进行了总结应用到工程实际，指导施工，优化施工工艺，提供了一种桩基加固不稳定路基的处理方法。

参考文献

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课题名称：西南交通大学希望学院大学生创新创业训练计划项目，项目编号：S202314262064

学校：西南交通大学希望学院  负责人：孙韶宏，男，2002，本科，铁道工程