高填方路堤沉降變形規律的有限元分析★

張立軍 侯亞玲

(1.山西中方森特建筑工程設計研究院，山西 太原 030002； 2.太原理工大學建筑與土木工程學院，山西 太原 030024)

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高填方路堤沉降變形規律的有限元分析★

張立軍1侯亞玲2

(1.山西中方森特建筑工程設計研究院，山西 太原 030002； 2.太原理工大學建筑與土木工程學院，山西 太原 030024)

應用大型有限元分析軟件ABAQUS，模擬了高填方路堤的施工過程，并建立了高填方路堤模型，分析了黃土填料高填方路堤的沉降變形規律，得出了一些結論，為高填方路基的設計修建及其沉降控制提供了依據。

高填方路堤，黃土，有限元分析，沉降變形

0 引言

自從1966年以來，伍德沃德和克拉夫在研究土壩的受力變形情況時首次運用有限元模擬計算法，使得有限元計算分析法在以后的巖土工程中不斷應用，對實際工程中的問題分析非常方便，也為工程帶來了極大經濟效益。有限元法被國內外廣泛應用，利用有限元可以結合土的變形特性描述土體應力—應變關系的模型，可以把土的變形特性看作非線彈性、彈塑性、非均質性[1-4]等模型。利用有限元可以考慮土體復雜的本構關系，可以模擬施工現場填方土體逐級加荷的過程，能考慮土體的側向變形以及復雜的邊界條件，將力學、數學和計算機三方面的知識相結合，就是由于該方法的靈活、快捷和有效性，使其在工程實際應用中快速發展，成為巖土工程領域中一種常用且最有效的分析計算方法[5]。

國外學者B.Indraratna[6]利用有限元的方法對路基建立了模型，進行了沉降計算，與實測沉降相比，發現二者計算結果差距不大，驗證了有限元法可以應用在路基沉降計算中。於永和[7]針對高填方路堤的特點，運用ANSYS軟件，對高填方路堤填土施工過程進行分層模擬，考慮了材料的非線性特性，分析了高填方路堤的沉降變形規律，探討了沉降與變形模量、壓實度的關系。數值分析計算了路堤自重作用下的變形，且符合實際高填方工程所測的沉降量，說明了本文計算所選取模型較符合高填方的工程性質，有限元模擬分析法也能較好地模擬出高填方路堤實際施工過程。逢成萬[8]通過有限元數值模擬分析了高填方路堤填筑過程中路堤的豎向位移、水平位移及應力場，與實際工程中的受力變形相接近，為高填方路堤的沉降變形規律分析與計算提供了重要的參考依據，可以客觀地反映其受力變形特征。梁莉[9]運用了ANSYS有限元軟件，對萬州五橋機場高填方路堤進行模擬，分析了填方高度對沉降量的影響且計算了沉降量，將有限元計算值與實測值進行了分析比較，表明運用有限元計算方法能更好的反映高填方路堤的沉降變形規律，且沉降規律性更明顯。本文主要應用大型有限元分析軟件ABAQUS對高填方路堤的施工過程進行了模擬，建立了高填方路堤模型，分析了高填方路堤的沉降變形規律。

1 工程簡介

本高填方路堤工程位于山西省黃土地區，高填方所屬具體地貌為黃土丘陵區，所處地形為南低北高，東西向叢溝發育，地形起伏較大，形成多處“V”“U”字形沖溝，斷面地形如圖1所示。該高填方工程的主要路段全長約300 m，其中斷面為29 m深處，是最大填土高度處。考慮就近選擇填料的特點，本工程選取以黃土為主要填料來修建。該路堤的填筑方法為墊層強夯法。

2 路堤模型的建立

本模型選取高填方路堤填土高度為30 m的斷面進行模擬分析，將實際工程簡化為一個有限元計算模型。本文采用大型商用有限元模擬軟件ABAQUS對該工程進行了二維有限元數值分析，填土高為29 m，坡比為1∶1.5，路堤頂寬度為32 m。在用有限元模擬進行分析時，為準確地模擬路堤施工過程，按照施工順序，將路堤根據其填土深度共劃分成10層，每層按照高為3 m進行單元劃分。由于只研究填方體的自身壓縮變形，路堤地基的沉降變形不考慮，路堤底部則采用固定邊界條件，其余均為自由邊界。根據路堤填土本身的非彈性和非線性的特點，土體變形選用彈塑性模型。路堤填筑料的應力應變關系采用摩爾—庫侖[10]屈服準則，通過大量的實際工程也證明，摩爾—庫侖模型簡單實用，計算可靠，貼近實際工程情況，因此，在巖土工程界廣泛應用。路堤分層情況見圖2。

該摩爾—庫侖模型總共具有五個參數，為了克服用有限元法計算路堤沉降中土體模型參數選取上的困難，本文主要以實際工程為依托，根據現場地質勘察及室內試驗來確定土體的各項參數。為真實反映黃土填料壓縮模量隨填土深度的變化情況，填料的密度和彈性模量分別按照固結壓縮試驗取值，模擬路堤所需的其他各項力學參數，結合相似填料的三軸試驗數據，按表1取值[11-13]。

3 有限元分析基本假定

表1 黃土力學參數

對于實際的高填方路堤工程來說，由于其影響因素眾多，路堤在施工過程中的實際受力狀況是相當復雜的，為了可以考慮到對路堤的主要影響因素，更好的模擬出填方體的受力過程，并能方便的分析填方體沉降變形規律和計算高路堤自身變形，本文提出以下假定[14]：

1)黃土填料為理想彈塑性體。2)不考慮時間影響，每層土體是一次性填筑，填筑時間對路堤沉降不產生影響。3)忽略土體孔隙水壓力和固結過程對填方體變形的影響。4)在填筑體的作用下，只考慮路堤的自身壓縮變形，不考慮地基的變形，其模擬的變形結果主要是由填方體引起的。5)忽略行車荷載，主要研究填筑體料自重作用下產生的變形。

4 分層模擬施工步驟

高填方路堤在實際施工過程中是分層填筑，需填料的壓實度達到要求之后，再進行下一級的填筑，依次從下到上填筑并壓實。也就是說在填第①層土時，第②,③層以上土層還未施加，是不存在的。因此，在模擬分析過程中，我們在模擬填土分層加載時需用到單元生死功能。在ABAQUS有限元軟件中，可以通過模型改變(MODEL CHANGE)來實現這個過程。

具體步驟：

1)首先，建立一個二維的高填方路堤模型，按3 m高進行單元劃分，在加載開始前，共建立十個分析步，其次，在inp文件中編輯*MODEL CHANGE,REMOVE語句，將所有分層單元移除，可以看作這些單元不存在，使ABAQUS在后續計算中不考慮整個單元。之后就可以在各分層填土荷載步中，編輯*MODEL CHANGE,ADD語句使其可以逐一加載，激活各層土單元，且考慮重力荷載。

2)為了將復雜問題簡單化,將其用四邊形進行網格劃分，形成離散體結構，網格劃分圖如圖3所示。

3)提交任務以后，進入Visualization后處理模塊，求得路堤在各層填土荷載作用下的位移和應力[15]以及其變形云圖，從而分析路堤在填土荷載作用下的沉降及其發展規律。其中豎向位移就是所要求的路堤自身壓縮變形量。

5 模擬結果及分析

通過模擬分析得到路堤的豎向變形云圖和水平變形云圖分別如圖4，圖5所示。

5.1 豎向位移云圖

圖4為模擬路堤的豎向變形云圖。由圖中可以看出，路面正下方土層的豎向沉降在路堤中央處最大，在靠近路堤邊緣處略微偏小。最大豎向沉降變形不是發生在填筑體的頂部，而是發生在距路堤底部中心1/3～1/2位置處。在同一高度處，路堤兩側土體的豎向沉降值小于路堤中央處沉降值，且近似呈“凹”形。因此，在路堤施工時應注意觀測沉降變形大處的位置，避免路堤發生不均勻沉降。

5.2 水平位移云圖

圖5為模擬路堤的側向位移變形云圖。由圖中可以看出，由于路堤是左右對稱的，且只受填土荷載作用，因而路堤在填土完成時的邊坡側向變形也是左右對稱的。路堤邊坡的側向位移變形規律為：沿著路堤填土高度方向，側向位移呈近似“拋物線”變化的形式，且在靠近路堤邊坡距底部1/3～1/2位置處，路堤的側向位移值達到最大，在底部和頂部位置相對較小。在同一路堤高度處，邊坡處的水平變形大于路面正下方土體的。

5.3 影響高填方路堤的沉降變形結果分析

影響高填方路堤的沉降變形結果精度的可能原因有很多，主要可以歸納為以下幾方面：1)邊界條件及范圍。在考慮路堤自重作用下的豎向變形時，邊界范圍決定單元數的數量，所以邊界范圍也會影響計算的結果。2)網格劃分疏密。網格不合適也會影響路堤沉降計算的精度，單元網格劃分過密會使計算結果不收斂，難以達到其精度。3)填料參數。還有填料的計算參數選取也會影響變形的計算結果，本文采用的填料的物理力學參數來自室內試驗和類似的工程經驗，與實際工程情況并不是完全相符。

6 結語

本文通過對整個高填方路堤建立有限元模型，采用摩爾—庫侖模型以及施工分層模擬的方法，分析了高填方路堤的沉降規律。具體結論如下：

1)經模擬、分析得出路堤的沉降變形規律為：在同一高度處，豎向變形在路堤中心處變形量最大，兩側變形量相對較小，且近似呈“凹”形，側向位移呈近似“拋物線”變化的形式。

2)路堤的最大豎向變形和側向變形分別位于距路堤底部中心1/3～1/2位置處、靠近路堤邊坡距底部1/3～1/2高度位置處。

3)通過以上的模擬分析結果，說明有限元模擬法也可以應用在實際工程中。不僅可以用來分析高填方路堤的豎向變形規律及水平變形規律，還可以模擬路堤的實際應力分布情況，能更加清楚的反映其受力變形特征，客觀了解整個路堤各土層的沉降變形規律。準確地模擬了路堤施工過程以及黃土填料壓縮模量隨填土深度的變化情況，對于指導高填方路基的設計與修建及其控制沉降具有重要的參考價值。

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Finite element analysis of laws of high fill embankment settlement deformation★

Zhang Lijun1Hou Yaling2

(1.ShanxiCentreArchitecturalEngineeringDesign&ResearchInstitute(GradeA),Taiyuan030002,China；2.SchoolofArchitectureandCivilEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Using large-scale finite element analysis software ABAQUS simulates the construction process of high fill embankment, high fill embankment model is established. The settlement of high embankment deformation law are analyzed, draw some conclusions, provided basis for the design construction and its settlement control of high fill sub-grade.

high fill embankment, loess, finite element analysis, settlement deformation

1009-6825(2016)22-0131-03

2016-05-23★:北京市政建設集團有限責任公司資助項目

張立軍(1970- )，男，高級工程師； 侯亞玲(1991- )，女，在讀碩士

U416.1

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