高填方路基分層填筑壓實數值仿真研究

趙經緯

摘 要：論文在分析高填方路基的施工特點的基礎上，結合對高填方路堤分層填筑模擬原理的分析，對高填方路基分層填筑的壓實標準進行確定，結合工程實例分析了高填方路堤分層填筑模擬過程，并對計算結果進行分析。

關鍵詞：高填方路基；分層填筑；仿真

路基是路面的基礎，是公路工程的重要組成部分。路基與路面共同承受交通荷載的作用，它必須具有足夠的強度，穩定性和耐久性。高填方路基出現較多的問題通常是路基整體或局部下沉、路基開裂、路基滑動或邊坡滑移失穩。由于不同地形和地質條件的特點，使路堤的填筑情況存在較大的差異，為工后不均勻沉降留下了隱患。

1工程背景

M道路為二級公路，全長4.7km，設計路基寬度12.5m，由快速道路、M河大橋及輔助跨線橋、排水箱涵等組成。 M橋路面設計荷載:汽-超20級、掛-120，屬大型橋梁工程。大橋南北兩岸地勢低洼，采用高填方路基，其中北岸填方路段長265m，最大填方高度8.1m。該路段作為大橋20m和40m大型T梁預制構件施工場地，要求在40天內快速完成。

2高填方路基施工的特點

填筑高度大,要求路堤本身具有足夠的整體強度和邊坡穩定性。填筑斷面面積大,填筑工程量巨大,路堤的填筑缺陷相對較多,填筑質量保證較為困難。

路堤本身累積沉降大,對路堤單位填筑高度的工后沉降要求更為嚴格。因此,在工程施工過程和工程完工后的車輛營運階段,發生的病害較多,而且較難處治。高填路基常見的病害有:路基整體下沉或局部沉降,路基縱橫開裂,路基滑動或邊坡滑坍。隨著路基填筑結束,雖然地基所受填土產生的土壓力趨于穩定,但由于多種因素(施工、行車、環境等)影響并通過實際觀測資料證明,還不能立刻穩定下來,需要經過約8～12月時間,才能使路基逐漸趨于穩定。

3高填方路堤分層填筑模擬原理

高填方路堤的施工方法為分層填筑壓實，自下而上逐層填筑。根據壓實機具的有壓實深度和壓實度要求確定每層的填筑厚度，每一層填土都經充分壓實至滿足要求后，再進行下一層次的填筑施工，以保證路堤在整個填筑高度范圍內均滿足壓實度和穩定性要求。

采用增量法進行高填方路堤分層填筑施工仿真分析，逐級施加填土荷載。路堤逐級施加荷載過程中，填筑至某一高度，即由該高度以下己填筑土體承擔這部分荷載。這部分荷載將不對尚未填筑的上層土體起任何作用，上層土體不受下層土體的影響。并假設變形在施工中瞬時產生，下部結構的自重對上部結構的變形無任何影響。施工高度以下土重引起的位移己經發生，該高度以上各點如果發生位移，僅僅是其上土重的作用所引起。

由ANSYS建模，模型高度即為路堤最后實際填筑所達高度。由ANSYS的“單元生死”功能模擬實現分層填筑施工過程。模擬第一層填土施工時，由ANSYS的“殺死”功能使上層的填土模型不起作用，計算路堤下方土層在填土后引起的沉降，當其上一層被“激活”時，相當于施加第二層填土荷載。依此類推，完成整個施工過程的模擬。

4壓實標準的確定

充分壓實路基可以直接有效地控制路堤沉降和不均勻沉降，但過分強調壓實度則導至增加不必要的工程費用。本文用數值仿真方法確定該路段的壓實標準，在保證工程質量的同時，經濟快速地完成路堤填筑施工。

以Kl+740處典型斷面建立有限元分析模型，采用不同壓實度時的試驗數據（以90%、93%、95%、98%為例）進行數值仿真計算，得出的不同壓實度時典型斷面(KI+740)處Y、X方向位移如圖1、圖2所示。

圖1不同壓實度時典型斷面處Y方向位移 圖2不同壓實度時典型斷面處X方向位移

由此可見，壓實度提高，土體的密度加大，可以有效地提高土體的強度和抵抗變形的能力，同時也降低了土體的透水性，使毛細水上升高度減小，水穩定性得到提高。考慮高填方路基快速施工的要求，結合路堤承載力及填料的強度要求，將本路段路基填筑壓實標準，在規范要求標準情況下適當提高，按K=95%標準進行壓實控制，可以較好地滿足工程的特殊需要。

5高填方路堤分層填筑模擬過程及計算結果分析

以水平網格表示路堤分層填筑過程，進行有限元模型網格劃分。LWE單元表示所填筑的第一層土體，LIVE單元以上的單元被殺死，即為第一層土體的模擬填筑過程。據此，求解得出施加第一層填土后的變形計算結果并得出第一層填土施工完成后的位移等值線.

然后，激活上一層單元作為第二層填土。得到第二層填土后的變形圖和等值線圖。依次類推，逐層施加填土荷載依次求解。圖3表示了填筑至設計所要求高程后的計算結果。

(a)最終變形結果 (b)最終填土后位移件等值線圖

圖3全斷面分層填筑施工模擬計算

6不同分層填筑厚度計算結果對比

不同的填筑厚度，使路堤產生的沉降量不同，以下分別對20cm:、30cm、40cm和50cm等不同的分層厚度，進行模擬仿真計算，得出路堤在不同填筑高度時的沉降量，沉降與分層填筑厚度關系曲線于圖4。

圖4最終沉降與分層填土厚度關系

（1）路堤土體的壓實度隨分層填筑厚度增加而降低;

（2）高填方路堤的最終沉降隨分層填筑厚度增加而增加;

（3）分層填筑厚度在20-30cm范圍內增加，對路堤的最終沉降量影響不明顯，分層填筑厚度超過30cm，沉降量急劇增加。

參考文獻：

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注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。