高填方路基沉降變形影響因素模擬分析

牛小玲

(山西工程科技職業大學 工程管理學院 晉中市 030619)

0 引言

填方路基施工過程中，沉降是影響路基穩定性的關鍵性因素之一。自20世紀20年代太沙基一維固結理論問世以來，國內外路基沉降通常采用太沙基理論開展研究，但在復雜幾何邊界條件下該理論的應用受限，通常采用有限差分法分析[1]。而上述理論只適用于飽和土，是在假定土體處于飽和狀態下開展研究的，而實際中很多土體并非飽和土，這就使太沙基理論的應用受到了很大限制[2]。近年來，有限元法得到了廣泛的應用，國內外很多學者通過建立模型，對路基沉降進行了模擬計算分析，但往往只局限于一個方面[3-4]。為研究填方材料、填方高度、坡度、壓實度對高填方路基沉降的影響，運用ANSYS軟件建立模型模擬分析，計算得出不同情況下的路基沉降量，進一步分析得出路基的沉降變形規律。主要分析各類因素對路基沉降的影響，可以為高填方路基沉降變形控制提供參考，以便于制定措施進行防治，降低或減少由于路基沉降造成的病害。

1 模擬分析方法

為了研究填筑高度、路基邊坡坡度、填料和壓實度四個因素對高填方路基沉降的影響，結合相關高填方施工案例，采用ANSYS軟件進行數值模擬分析[5]。通過軟件計算得出不同類型高填方路基沉降變形量，分析得出高填方路基在各影響因素作用下的沉降變形規律。路基沉降沿道路中心呈對稱分列，因此取半個路基作為分析對象，建立高填方路基模型如圖1所示。

圖1 高填方路基有限元模型

高填方路基土體單元分析采用plane42單元，由四個節點定義，每個節點有x、y兩個方向的自由度。采用plane 42單元建立的路基二維模型，可以采用平面應變模式開展模擬分析。文章主要對路基的受力特性進行研究，通過模擬路基土體之間的相互作用構建路基土體結構。模型構建邊界條件為：地基只在垂直方向上產生位移，側面有水平約束；路基底部設計三個自由度，且三個方向上的位移均為零。考慮到路基的沉降量較大，地基的沉降量較小，劃分網格時對路基進行了加密，因此地基網格劃分相對較稀疏。

2 高填方路基沉降影響因素分析

2.1 填方高度對路基沉降影響分析

路基模擬分析選擇某高速公路，路基設計寬度為24.5m，填方高度為8m以下時邊坡坡度選1∶1.5，超過8m時上部邊坡坡度為1∶1.75、下部為1∶1.5。地基上層為粘性土，厚度為20cm，下部為基巖，厚度為40cm，路基填料和地基的物理力學指標如表1所示。路基各填層壓實度按《公路工程質量檢驗評定標準》(JTG F80/1—2017)中的相關規定控制。

表1 路基填料和地基物理力學指標

填方高度從2m以上開始進行模擬計算，不同高度路基沉降量計算結果如表2所示，繪制填方高度與路基沉降量關系曲線如圖2所示。

表2 不同填方高度路基沉降量計算值

圖2 路基填方高度與沉降關系曲線

結合表2計算結果和圖2曲線變化趨勢，隨著路基填方高度的增加，路基總沉降量不斷增加。這是由于填方高度越高，路基自重越大，路基所承受的荷載越大，路基和地基沉降量呈現非線性增加的趨勢，而路基總沉降量呈現線性增加的趨勢。通過數據擬合，得出路基總沉降量與路基填方高度之間的線性關系式為：S=0.024h+0.135。

另外，分析計算結果可以得出隨著填方高度的增加，地基沉降量占總沉降量的比例越高，最大比例甚至超過了70%。在路基勘察設計階段，應做好地基加固方案設計，提高地基承載力。另外，在道路選線時應盡可能減少路基填方高度，以降低路基自重，減少沉降。

2.2 坡度對路基沉降影響分析

路基邊坡坡度取值由填料、邊坡高度等決定，坡度不僅關系到路基的整體穩定性和經濟性[6]，還會對路基沉降產生較大影響。結合工程經驗和公路路基設計規范(JTG D30—2015)，選取路基邊坡坡度為1∶1、1∶1.25、1∶1.5、1∶1.75、1∶2，并通過建立模型進行模擬計算，所選路基填料和地基物理力學指標如表3所示。

表3 路基填料和地基的物理力學指標

不同坡度路基總沉降量計算結果如圖3所示。

圖3 路基坡度與沉降關系曲線

分析圖3所示曲線變化趨勢，可以得出路基坡度越緩，路基沉降量越小，但總體差異不大。坡度為1∶1時，路基總沉降量為0.246m，而坡度變緩到1∶2時，總沉降量為0.231m，下降了0.015m，下降幅度較小。因此，路基坡度與路基沉降量之間沒有明顯的線性關系，且坡度對路基沉降量的影響較小。

2.3 填方材料對路基沉降影響分析

路基填料對高填方路基壓實質量、沉降變形影響較大，應選取各方面技術指標滿足《公路路基施工技術規范》(JTG/T 3610—2019)要求的材料。選取四種常用路基填料作為研究對象，其物理力學指標如表4所示。

表4 各類填料物理力學指標

各類路基填料路基沉降量、地基沉降量和總沉降量計算結果如表5所示，繪制路基總沉降量與填料容重關系曲線如圖4所示。

表5 各類填料路基沉降量計算結果

圖4 路基總沉降量與填料容重關系曲線

分析表5所列各類填料路基沉降計算結果，路基沉降量受填料自重影響較大。結合圖4所示路基沉降量與填料容重關系曲線，路基沉降量隨填料容重變大而增加。因此，選擇容重比較小的輕質材料，可明顯降低路基沉降。在相同填方高度的情況下，選取粉煤灰作為填料較粘性土可降低約9.3%的沉降，且使用粉煤灰還可以減少占用耕地。另外，采用粘性土填筑路基會破壞地表植被，對周邊環境造成一定程度破壞。相較而言，磷石膏、EPS造價高，而粉煤灰價格便宜，廢物利用還可以降低環境污染，具有較好的經濟性。

2.4 壓實度對路基沉降影響分析

壓實度是高填方路基施工質量控制的關鍵，也可有效控制路基沉降變形。為了確定不同壓實度路基沉降變形規律，選取低液限粘土作為研究對象，選取壓實度為90%～98%，建立模型進行模擬分析，計算得出路基沉降變形如圖5所示。

圖5 路基壓實度與沉降關系曲線

隨著壓實度的增加，路基總沉降量不斷下降，且呈現線性關系。通過數據擬合，得出路基壓實度與路基總沉降線形關系式為：S=-0.0028K+0.3353。當路基壓實度為90%時，路基總沉降量為0.088m，達到98%時，路基總沉降量為0.067m，下降了23.8%，下降幅度較大。因此，提高壓實度可明顯降低路基沉降，說明壓實度對路基沉降影響顯著。

3 路基施工現場沉降監測驗證分析

選擇某高速公路高填方路基為研究對象，在施工現場5個不同深度布置應變計，對路基沉降進行監測。同時收集相關技術參數采用ANSYS軟件建立模型計算路基總沉降量，監測與計算結果如表6所示。

表6 路基總沉降量現場監測與模擬計算結果

分析實測值與計算值，二者相差不大，偏差最大值在深度15m處為5.95%，最小值在深度3m處為1.46%。通過對比分析，計算值與理論值相差不大，考慮到監測過程中各類因素的影響，可認為雖然計算值略高于實測值，但總體準確率滿足要求。

4 結論

為了分析不同因素對路基沉降的影響，采用ANSYS軟件建立模型進行模擬計算，并結合現場實測數據進行對比分析，得出以下結論：

(1)隨填方高度的增加，路基沉降量不斷增加，且路基總沉降量與填方高度呈現線性關系。

(2)隨著邊坡坡度變緩，路基沉降量有所下降，但影響效果不明顯。

(3)路基填料的自重對路基沉降影響最大，填料容重越低沉降量越小，綜合考慮應優先選用粉煤灰作為路基填料。

(4)路基壓實度由90%增加到98%，路基沉降變形下降了23.8%，說明提高壓實度可有效降低路基沉降。

結合現場監測數據，可以得出雖然計算值略高于實測值，但總體偏差不大，說明模擬計算結果符合實際情況。