基于數值模擬的填方路基沉降規律研究

李浩霖，李 斌，柯凱艷

（云南建設投資控股集團有限公司國際工程部，云南昆明650000）

隨著經濟的發展，公路的建設也開始慢慢向偏遠地區轉移，伴隨而來的是施工工況復雜性的增加，因此我們需要有針對性的分析討論路基變形的外部情況，更好地為施工服務。

對于填方路基，趙煉等[1]運用器材沖擊壓路機，完成了石子含量在60%～70%的填方路基施工中的研究。劉海明等[2]建立了PMIGM(1,1)預測模型，成功地將模型運用于填方路基實踐中，驗證了該模擬可以完成對預測模型精度的提高。馮學鋼[3]結合工程實例，給出了路基沉降的防治方案。Liu[4]根據填方路基監測數據，提出了一種基于粒子群優化（PSO）和馬爾可夫鏈的填方路基監測模型PSOMGVM。Jia[5]為了研究重力作用和車輛荷載作用下填方路基的施工后沉降，對蘭—永高速公路進行了現場監測。上述學者均未考慮填土高度、路基坡高比、填料和壓實度等影響因素對填方路基變形的影響。所以本文從填方路基入手，選用MIDAS軟件，建立填方路基截面數值模擬，模擬了在填土高度、路基坡高比、填料和壓實度不同情況下的路基沉降情況。

1 模型建立

為研究填方路基變形的影響因素，本文擬選取公路等級為二級，路基頂面寬12m，地基由30m厚粘土層和50m厚基巖構成，考慮邊界效應，取水平長度60m。在現場工作時，路基壓實度按照規范選取。土體的物理力學參數見表1。

表1 土體的物理力學參數表

此次模型中的土體采用摩爾—庫侖進行模擬，在分析時由于填方路基可以歸納為軸對稱平面應變問題，依照對稱性原則完成對模型的假設：①土的滲流速率恒定可以忽略時間的影響；②土為彈塑體；③土體中水的流動遵從達西定律；④土是連續的，且土體均勻[6]。

采用MIDAS GTS有限元軟件建立公路模型，并完成對模型的網格劃分，由于地基在變形中位移量較小，因此劃分較為稀疏；路基在變形中的位移量相對來說較大，因此在劃分網格的時候較為密集，在不影響計算精度的同時，加快計算進程。網格劃分效果圖見圖1，在對邊界施加約束時，考慮實際情況，對路基底部采用完全約束；對地基橫向施加約束，豎向不施加約束。

圖1 填方路基網格劃分效果圖

2 結果分析

2.1 不同高度的填方路基沉降分析

采用摩爾—庫倫模型完成對不同高度填方路基的模擬，收集并整理在2m、4m、6m、8m、10m的填方高度下的位移變化量，得出如表2所示沉降結果，并完成填土高度與位移變化圖（圖3），得出相關結論。

表2 不同填土高度的沉降結果（單位：m）

由圖2分析可得：①隨著填土高度的增加，地基路基均產生沉降，地基沉降較為明顯，從2m時沉降0.18m到10m時的0.328m，變化幅度為0.148m。由圖可以清楚看到，總沉降隨著填方高度增加而呈線性增大的趨勢。②從圖像我們可以看出在增加填土高度的同時，對地基破壞很大，地基沉降占到總沉降的一半還要多，所以在進行填方路基施工時，要避免過高的堆填，減少填方路基的施工；實在避免不了的情況下，我們要對地基進行強度改造，確保工程的安全施工。

圖2 不同填土高度下沉降圖

2.2 不同坡高比的填方路基沉降分析

在實際工程中，坡高比的變化也會導致地基沉降的變化，基于此，開展關于不同的坡高比模型試驗，在對邊界施加約束時，考慮實際情況，對路基底部采用完全約束；對地基水平施加約束，豎直方向不施加約束。分別考慮在坡高比為1∶1、1∶1.25、1∶5、1∶1.75、1∶2情況下路基沉降。

在表3沉降結果基礎上，為了清晰地看到沉降的變化情況，完成了如圖3的沉降圖。

表3 路基在不同坡高比下的沉降結果

圖3 不同坡高比下沉降效果圖

由圖3分析可得：在坡高比為1∶1時，路基沉降量為0.235m，當坡高比為1∶2時，沉降量為0.25m，沉降量隨著坡高比的增加，而呈近似線性增大；在坡高比從1∶1到1∶2的過程中，沉降變化幅度0.014m，表明變化幅度對路基沉降影響不是很大，但是在實際施工過程中還是要避免坡高比過大情況的發生，防止滑坡等災害的發生。

2.3 不同填方材料的路基沉降分析

隨著公路的飛速發展，我國對公路的認識也隨之增強，公路施工也漸漸擺脫了地域的束縛，這些建立在施工技術的增長，對填方材料認識的加強。選則恰當的填方材料，才能更好地確保公路的安全實施。規范規定只有達到一定強度，且本身能被壓縮到制定密度的，并能形成穩定填方的才適合被用于填方工程[7]。基于此，本文收集并整理了相關規范，收集了路基施工中常用的填方材料，材料性質見表4。

表4 填方材料物理性質

開展關于不同的材料模型試驗，在對邊界施加約束時，考慮實際情況，對路基底部采用完全約束；對地基水平施加約束，豎直方向不施加約束。考慮不同填土導致地基沉降變形情況見表5。

在表5沉降結果基礎上，為了清晰地看到沉降的變化情況，完成了如圖4的沉降圖。

表5 不同填方材料導致地基沉降

由圖4分析可得：①路基總變形量是由路基變形量和地基變形量之和，填料自身的容重是導致地基變形的主要影響條件。根據不同材料下沉降效果圖可知，新型材料聚苯乙烯泡沫作為容重最低的材料，在這些材料中變形是最小，變形量為0.16m。根據沉降效果圖，可以看出，在填方路基中要最大程度降低地基變形量最有效辦法就是采用容重最小的材料，即最大程度降低材料重量。②在實際工程中，由于聚苯乙烯泡沫和磷石膏成本較高，所以一般不會作為填方路基的填筑材料，但在地質條件較差的地區，可以優先選擇聚苯乙烯泡沫和磷石膏作為路基填筑材料；粉煤灰作為工業廢渣自身堆放會造成一系列問題的產生，比如占用土地資源，污染堆放地的環境的問題。因此實際應用中，更多地選用粉煤。這樣免去土地的占用，保護了環境，更做到了廢物利用一舉多得。

圖4 不同材料下沉降效果圖

2.4 壓實度的路基沉降分析

壓實度是材料本身的一個屬性，在路基施工中作為質量檢測以及材料選取的重要指標。壓實度代表了材料屬性的好壞，壓實度較大的材料，自身整體性較好。本研究遵照規范，選取壓實度90%以上的材料，旨在尋求壓實度對路基沉降的影響效果。

開展關于不同的材料模型試驗，在對邊界施加約束時，考慮實際情況，對路基底部采用完全約束；對地基水平施加約束，豎直方向不施加約束。根據現場經驗可知，因此，本文選取低液限粘土在90%、92%、94%、96%、98%情況下對比研究地基沉降的具體情況。所得結果見表6。

表6 不同壓實度導致地基沉降

由圖5分析可得：對于同種材料，隨著壓實度的增加路基壓縮量在明顯降低，在規范規定的情況下，盡可能增加壓實度，能保證工程的安全性。可以從圖中明顯看出壓實度從90%至98%變形下降幅度為25%。這往往意味著成本的增加。在實際工程中，結合實際情況選擇壓實度，不僅能提高工程質量，而且成本還能在預期范圍內。

圖5 同種材料不同壓實度下沉降效果圖

3 結論

本文運用MIDAS GTS模擬了填方路基在填筑高度、路基坡高比、材料、壓實度的情況下路基沉降情況。

（1）在填方路基中，隨著填筑高度的增加，路基沉降呈線性增加趨勢，在工程應用中，由于滑坡及自重影響，盡量降低填筑高度。

（2）在填方路基中，坡高比的增大，導致沉降量隨著增加，在坡高比從1∶1到1∶2的過程中，沉降變化幅度為0.014m，沉降變化幅度不是很大，但在實際工程中還是要降低坡高比，防止滑坡等災害的發生。

（3）在填方路基中，新型材料聚苯乙烯泡沫作為容重最低的材料，變形量是最小的，變形量為0.16m。在填方路基中要最大程度降低地基變形量最有效辦法就是采用容重最小的材料，即最大程度降低材料重量，在實際工程中，考慮經濟效益，結合施工需要達到的要求，合理選擇施工材料。

（4）對于同種材料，壓實度的增加導致變形在明顯降低，在實際應用中，選擇恰當的壓實度，在確保工程質量的同時，成本還能在預期范圍內。