路堤墻對山區高速公路路基沉降變形影響模擬分析

王立鵬，杜宇兵，馬 全，趙 陽

（貴陽市交通基礎設施建設服務中心，貴州 貴陽 550081）

引言

貴州，作為中國唯一沒有平原支撐的省份，境內山川起伏，溝壑縱橫，工程地質條件極其復雜。伴隨著貴州交通建設的飛速發展，工程人也遇到了許多復雜的建設難題，其中軟土地區路基的沉降變形便是一個常見的工程問題。

路堤墻是一種常見的邊坡支擋構造物，在工程建設中，路堤墻有著防止路基邊坡和地基滑動，確保路基穩定和收縮填土坡腳，減少拆遷占地的作用。但是路堤墻的設置對山區軟土地區高速公路路基沉降變形有著怎樣的影響，卻鮮有人進行這方面的研究。本研究通過大型有限元分析軟件COMSOL 建立起路基沉降計算模型，分析了路堤墻對軟土地區路基沉降變形和承受荷載的影響，可為廣大工程技術人員提供一些參考。

1 模型建立及材料參數

由于路基是縱向無限延伸的帶狀構造物，為了簡化計算，可按平面問題進行處理[1]。本研究以貴州德江（合興）至余慶高速公路K5+320～K5+500 段填方路堤為例，選取填方高度為3 m 的路基進行數值模擬計算，其邊坡坡率為1∶1.5，路基寬度為26 m。為減小模擬計算的誤差，路基下地基的計算深度取為27 m，邊坡以外寬度取為15 m[2]。未設路堤墻的路基幾何模型和設置路堤墻的路基幾何模型分別見圖1 和圖2。本研究采取模擬實驗的單一變量法，即除了在設置路堤墻的計算模型中增加路堤墻外，模型所有其他尺寸和參數都與未設路堤墻時保持一致，以減小誤差，達到模型計算結果的真實可信[3]。

圖1 未設路堤墻的路基幾何模型

圖2 設置路堤墻的路基幾何模型

該模型計算參數選取自貴州德江某地實測土層，其土體類別、土體密度、含水率、回彈模量和泊松比見表1。路堤墻的設計荷載采用公路Ⅰ級，墻體采用C20片石砼砌筑。擋墻高度為6 m，地下埋置深度為0.6 m。該處地基土類型為粉質黏土，含水率為30%。表中：ρd 為干密度；w 為含水率；E 為回彈模量；nu 為泊松比[4]。

表1 土層材料參數取值表

2 邊界條件與網格劃分

為簡化模型，本研究只考慮路基和擋墻的重力荷載，后期高速公路通車后的汽車動荷載暫不納入考慮范圍。由于地基兩側實際上是無限延伸的，故加載為對稱邊界。其它方向上，路基及擋墻表面均設為自由邊界載荷[5]。

根據物理場進行模型網格的自由剖分，不設路堤墻的路基模型共剖分三角形網格415 個，見圖3。設置路堤墻的路基模型共剖分三角形網格928 個，見圖4。

圖3 未設路堤墻路基模型網格劃分

圖4 設置路堤墻的路基模型網格劃分

3 計算結果分析

3.1 路堤墻對路基豎向沉降變形的影響

由圖5 和圖6 可看出，在普通填方路基兩側設置路堤墻后，路基沉降變形明顯減小。在路基表面，設置路堤墻后，其豎向位移比不設路基墻時減小了30 cm左右。可見路堤墻的設置對減小路基表面豎向沉降效果較為明顯。

圖5 路基豎向沉降變形云圖

圖6 豎向位移隨路基深度變化曲線圖

3.2 路堤墻對路基橫向變形的影響

圖7 為路基橫向變形云圖，圖8 為路基坡腳處水平位移隨路基深度變化曲線圖。由圖可看出設置路堤墻后，路基表面水平向位移與不設路堤墻時并無太大變化。但是在路基坡腳處，設置路堤墻后，路基坡腳下地基水平向位移明顯減小，在地基下12～15 m 深度處，其水平向位移量可減小2 cm 左右。

圖7 路基橫向變形云圖

圖8 水平位移隨路基深度變化曲線圖

3.3 路堤墻對路基應力變化的影響

由圖9 可看出，設置路堤墻后，路基下地基中所受應力明顯減小。但是路堤墻本身所受到的應力很大，需要確保路堤墻有足夠的強度承受土體壓力。

圖9 路基應力云圖

由圖10 可看出路基及路基下地基土體中所受到的應力呈先增大后減小的趨勢，設置路堤墻對路基上部所受應力影響不大，但路基下地基土體中所受應力會明顯減小，減小幅度最大可達到60 000 Pa 左右。由此可知，在軟土地區設置路堤墻可有效減小軟土地基所承受的路基荷載，有利于減小路基表面的沉降變形。

圖10 應力隨路基深度變化曲線圖

4 結論

本研究以貴州德余高速K5+320～K5+500 段填方路堤為例，通過對設置路堤墻的路基和不設路堤墻的路基分別進行有限元模擬分析，對比了設置路堤墻和不設路堤墻時路基所受到的荷載應力和沉降變形。得出了在軟土地區填方路基中設置路堤墻可以明顯減小路基下軟土地基中所受應力，減小路基表面沉降和路基坡腳處的側向位移量的結論。因此在較大填方處設置路堤墻不僅可以收縮坡腳，減小征地拆遷，同時也可以作為減小軟土地區路基表面沉降和路基坡腳側向位移的一種手段。