壓實度對高填方路基自身沉降影響的數(shù)值分析

李 華，陳 晨，李向群

(1.吉林大學(xué)，長春 130012;2.吉林建筑工程學(xué)院，長春 130021)

工程實踐表明，路基沉降是高填方路基亟待解決的問題之一。高填方路基沉降，特別是工后不均勻沉降將嚴(yán)重影響行車的安全與舒適，甚至導(dǎo)致路基路面的結(jié)構(gòu)性破壞，大大增加道路的養(yǎng)護(hù)與維修費用。高填方路基的沉降變形包括兩個方面:一是高填方路基自身的壓縮沉降;二是高填方路基下天然地基的壓縮變形。湯東等通過對路堤高度與沉降變形關(guān)系的計算分析指出，隨著路堤高度的增加，路堤自身的沉降占總沉降的比重顯著增加［1］。付魏等對幾種比較典型的壓實填土土樣分別在不同密實度、分級荷載應(yīng)力作用下進(jìn)行壓縮試驗，掌握其沉降變形特性，認(rèn)為中高填方路基的沉降是因壓實不足所致，而不是固結(jié)沉降所致［2］。國內(nèi)部分學(xué)者通過研究認(rèn)為，對路基進(jìn)行高標(biāo)準(zhǔn)的壓實是保證路基應(yīng)有強度和穩(wěn)定性的一項最經(jīng)濟有效的技術(shù)措施。本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上，利用大型有限元軟件ANSYS就不同壓實度對高填方路基自身沉降變形的影響進(jìn)行數(shù)值模擬分析，以探討壓實度與高填方路基自身沉降變形之間的關(guān)系，為高填方路基的設(shè)計與施工提供參考。

1 計算模型

1.1 基本假定

1)土石料為各向同性連續(xù)介質(zhì);

2)巖土材料為理想彈塑性體;

3)不考慮地基的沉降變形，認(rèn)為地基在路堤荷載和自重的作用下已完成固結(jié)沉降變形;

4)路堤填料的變形是在自重作用下產(chǎn)生的，而不考慮行車荷載及氣候因素對其造成的影響;

5)不考慮路堤填料土體固結(jié)及孔隙水壓力的影響。

1.2 土的本構(gòu)關(guān)系

本文采用適用于巖土類材料的Drucker-Prager(簡記D-P)彈塑性本構(gòu)模型模擬高填方路基填土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。該模型使用Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，考慮了中應(yīng)力σ2對屈服和破壞的影響而且屈服面光滑沒有棱角，有利于塑性應(yīng)變增量方向的確定和數(shù)值計算。該準(zhǔn)則所需材料參數(shù)少，且易于試驗測定或由C-M準(zhǔn)則材料常數(shù)換算。此外，D-P準(zhǔn)則考慮了靜水壓力對屈服和破壞的影響，因此特別適用于巖土類材料的本構(gòu)模型使用。其屈服面為圓錐形，是六角形的摩爾-庫侖屈服面的外切錐面，見圖1。

使用D-P模型時，除了輸入彈性模型所需的基本參數(shù)外，還需輸入黏聚力 c、內(nèi)摩擦角 φ和膨脹角 φf三個參數(shù)，其中膨脹角φf是用來控制體積膨脹大小的參數(shù)。對于壓實的顆粒狀材料，當(dāng)材料受剪時顆粒會發(fā)生膨脹，如果膨脹角φf=0，則不會發(fā)生體積膨脹，如果φf=φ則會發(fā)生嚴(yán)重的體積膨脹。一般情況下偏于保守，取φf=0。

1.3 有限元分析幾何模型

路基作為線形帶狀構(gòu)造物，可將其視為平面應(yīng)變問題進(jìn)行彈塑性數(shù)值模擬分析。沿行車方向取1 m，路基總高度為24 m，邊坡形式為折線形，上部8 m坡度為1∶1.5，下部16 m坡度為1∶1.75，采用黏質(zhì)土填筑。地基土第一層為黏土層，厚20 m;黏土層下取40 m厚基巖，地基土水平方向取為200 m，計算模型如圖2所示。根據(jù)現(xiàn)場試驗及室內(nèi)三軸試驗確定各材料及不同壓實度路基填土的物理力學(xué)參數(shù)如表1和表2所示。

圖1 D-P屈服面和摩爾庫侖屈服面

圖2 高填方路基計算模型

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)表

表2 不同壓實度黏質(zhì)土的物理力學(xué)參數(shù)表

2 計算結(jié)果及分析

2.1 計算結(jié)果

為了研究不同壓實度對高填方路基自身沉降變形的影響，本文分別取壓實度為90% ～98%，利用前面建立的有限元分析幾何模型進(jìn)行數(shù)值模擬分析，計算結(jié)果見表3和圖3。

2.2 計算結(jié)果分析

由表3可知，當(dāng)路基填料的壓實度由90%增加到98%時，路基自身壓縮沉降由7.34 cm減小到5.58 cm，降低了23.98%。由此可知，路基自身壓縮沉降對路基變形的影響不容忽視，嚴(yán)格控制壓實標(biāo)準(zhǔn)或適當(dāng)提高現(xiàn)場壓實標(biāo)準(zhǔn)，可有效降低因路基自重引起的壓縮沉降變形。

表3 不同壓實度條件下的路基自身壓縮沉降

圖3 高填方路基自身沉降與壓實度變化關(guān)系

由圖3可以看出，高填方路基自身壓縮沉降值隨壓實度的增加而線性減小，相關(guān)系數(shù) R=0.998 8，相關(guān)性較好。

3 結(jié)語

1)高填方路基自身沉降是其總沉降變形的重要組成部分，對路基變形的影響不容忽視。

2)施工中嚴(yán)格控制壓實標(biāo)準(zhǔn)，可有效降低因路基自重引起的壓縮沉降變形，從而達(dá)到降低高填方路基總沉降變形的目的。

3)高填方路基自身壓縮沉降隨壓實度的增加而線性減小，相關(guān)性較好，可利用其回歸公式預(yù)測不同壓實度時的自身沉降。

［1］湯東，楊有輝.路堤高度與沉降變形關(guān)系的計算分析［J］.公路交通技術(shù)，2007(9):1-3.

［2］付魏，張冬青，李淼.公路路基填土沉降特性分析［J］.世界地質(zhì)，2003，22(3):294-297.

［3］龐旭清.路基壓實黃土力學(xué)特性三軸試驗研究［J］.鐵道建筑，2009(9):75-78.

［4］鄭穎人，龔曉南.巖土塑性力學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1989.

［5］郝文化.ANSYS土木工程應(yīng)用實例［M］.北京:中國水利水電出版社，2005.