道路路堤與涵洞的協同變形有限元數值模擬研究

（貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴州 貴陽 550000）

道路路堤與涵洞的協同變形有限元數值模擬研究

唐 賽 尹建偉

（貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴州 貴陽 550000）

以貴州省三都縣中和至塘州快速干道K1+660處的路堤和鋼波紋管涵洞作為仿真對象，采用ANSYS有限元軟件建立數值分析模型，通過軟件計算結果分析道路路堤與涵洞協同變形性能。

道路路堤；鋼波紋管涵洞；有限元

1.概述

道路是作為通行各種車輛與行人等的重要基礎工程設施，涵洞是道路建設必不可少的組成部分，道路的修建對于帶動城市的建設與發展起著至關重要的實際意義。

目前在眾多工程領域中，有限單元法已作為最常用、最廣泛的數值模擬計算方法，該方法將連續結構離散為諸多由有限個節點構成的小單元體，這些單元通過共用節點保持連續，基本未知量是選定的場函數節點值，通過在第一單元中假定某個可表示場函數分布規律的插值函數，利用力學變分原理構建可求得節點未知量的方程組，最終求解整個體系的場函數，從而將處于連續狀態的無限自由度問題轉化為離散狀態的有限自由度問題。

本文采用ANSYS有限元軟件對道路路堤與涵洞的協同變形進行研究。

2.結構有限元模型構建與網格劃分

以貴州省三都縣中和至塘州快速干道K1+660處的路堤和鋼波紋管涵洞作為模擬工程參照對象，按照1：1的比例，采用自上至下的方式進行模型建立，主要步驟如下：波形曲線的建立、粘合與平移→管軸線的建立→波形曲線繞管軸線旋轉360°成面→涵管周圍土體的建立→管內土體的切割與刪除→管外土體的切割劃分→幾何模型構建完成。

模型幾何方向中，笛卡爾系坐標原點位于于波紋管管軸線中點，X正方向為管軸線方向并指向主要出口，Y正方向為豎直向上，Z正方向為道路樁號增加方向。模型的幾何參數中，波長為230mm，波高為64mm，回轉半徑為57mm，波數為124個，管直徑（內徑）為4m，管壁厚度為5mm，涵長與路基寬為28.52m，道路縱向長為20m，管頂覆土為1.6m，管底土體為10m，邊坡坡率為1：1。

有限元結構分析中土體單元采用SOLID185， 該單元用于建立三維道路土體結構，由8個節點構成，每個節點包含3個不同方向的平移自由度，具有超彈性、蠕變、應力鋼化、大變形和大應變能力。鋼波紋管涵洞單元采用SHELL63，該單元是一種彈性殼單元，由4個節點構成，每個節點具有6個自由度，其中包含3個不同方向的線位移和3個不同方向的轉角位移，可同時承受面內與面外荷載，具有殼單元算法、膜單元算法、應力剛化效應和大變形效應。

由于幾何模型不能直接進行有限元求解分析，單元和節點是有限元法的基本單位，故需對模型進行網格劃分，鋼波紋管管壁采用面映射網格劃分，單元形狀為四邊形，由四段圓弧線組成一個圓截面，每段圓弧線等分為15份，土體采用體掃略網格劃分，單元形狀為六面體，其中源面采用自由網格劃分，單元形狀為四邊形，在保證計算精度及減少占用計算機內存的要求下，靠近波紋管周圍的土體單元尺寸較小，遠離波紋管周圍的土體單元尺寸較大。

3.模型的計算方法與邊界條件施加

ANSYS有限元軟件將有限單元法嵌入到計算機，其分析步驟主要為前處理、計算求解和后處理，前處理階段包括模型單元類型的定義、材料屬性的輸入、幾何模型的建立、模型屬性的賦值、單元網格的劃分、邊界條件與載荷的施加等；計算求解階段是采用選定的求解器對有限元模型進行分析運算，并將結果保存于計算機的二進制文件中；后處理階段是對求解結果的可視化操作，包括等值線圖、矢量圖、位移圖、路徑圖和列表結果匯總等。根據未知量設置類型的不同，可分為位移法、力法和混合法，位移法的未知量為節點位移，主要應用最小位能原理或者虛擬位移原理，力法的未知量為節點力，主要應用最小余能原理，混合法的未知量為部分節點位移與部分節點力，常采用修正的能量原理，求解應力場和變形場時，需建立位移方程與應變與應力方程，同時建立結構單元與總體平衡方程，計算求解未知節點的位移與應力。

由于現場鋼波紋管涵洞的施工采用的是反開槽回填法，為盡可能的貼近實際工況，在模型不同方向施加不同方向的位移約束，從而限定某個方向的自由度。將模型底部XYZ三個方向的平動與轉動自由度設置為0，橫斷面方向地基土體立面Z方向的平動自由度設置為0，縱斷面方向兩側土體立面X方向的平動自由度設置為0，其余面與方向不施加位移約束，如圖4.1所示，其中，模型管直徑（內徑）為4m，涵長與路基寬為28.52m，管頂覆土為1.6m，地基厚度為10m，地基寬度為48.52m，邊坡坡率為1：1。

圖3.1 模型邊界條件示意圖

4.結構分析計算結果

圖4.1 道路路堤與涵洞的豎向位移云圖

由圖4.1可見，路堤與涵洞的豎向位移隨土體位置的不同而不同，沿道路縱斷面方向，涵洞正上方的路面沉降量小于涵洞兩側土體上方的路面沉降量；沿道路橫斷面方向，道路中心處的路面沉降量大于道路路肩處的路面沉降量；沿道路深度方向，隨路基土深度的增加，沉降量逐漸降低；邊坡沉降隨深度的增加也逐漸減小；從總體上看，涵洞的修建會導致路堤與涵洞上方的路面沉降量略有不同，但差值較小，對行車平順不會產生明顯影響。

圖4.2 道路中心縱斷面方向路面豎向變形曲線

圖4.2為道路中心位置路面的豎向位移隨土體位置變化曲線，土體位置為0m對應波紋管管軸線正上方路面；由圖可見，土體位置位于-2m至2m之間時，路面的豎向變形量基本相同，最大豎向變形量與最小豎向變形量的差值約為8.1mm，靠近管體的路面豎向變形量較小，遠離管體的路面豎向變形量較大。

5.結語

應用ANSYS軟件，建立有限元模型模擬現場實際工程，道路路堤與涵洞的協同變形進行了數值仿真計算，計算結果表明涵洞的修建會導致路堤與涵洞上方的路面沉降量略有不同，但差值較小，對行車平順不會產生明顯影響；

[1]凌天清，楊少偉等．道路工程[M]．北京：人民交通出版社，2005．1-8．

[2]李祝龍．公路鋼波紋管涵洞設計與施工技術研究[D]：［博士學位論文］．西安：長安大學，2005．

[3]鄧凡平．ANSYS12有限元分析自學手冊[M]．北京：人民郵電出版社，2011．1-15．

U45

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1007-6344（2017）04-0040-01

唐賽（1991-），男，貴州貴陽人，碩士研究生，助理工程師，從事道路工程設計工作。