運用ＡＢＡＱＵＳ計算路堤填筑過程中軟土地基的固結沉降

摘要：文章運用大型通用有限元計算分析軟件ABAQUS對軟土路基填筑過程中地基的固結沉降進行數值模擬，分析在路基填筑過程中，軟土地基的位移和孔壓的變化規(guī)律，為在軟土地區(qū)修筑路基的處治設計和施工給予相應的參考。

關鍵詞：ABAQUS；路堤；填筑；軟土地基；固結沉降

中圖分類號：U416.1 文獻標識碼：A

文章編號：1674-1145（2009）05-0189-02

近年來，我國高速公路建設飛速發(fā)展，高速公路的修建不可避免地經過軟土地區(qū)，準確預測軟土路基工后沉降并采取相應整治措施將工后沉降控制到合理的范圍是關系到公路建設成敗的關鍵技術之一。

以往工后沉降的預測多采用以一維變形假定為基礎的分層總和法和e～lgp曲線法，雖然較簡便，但準確度不夠。近年來，隨著計算機技術的發(fā)展,有限元方法在土力學的計算中逐漸得到了推廣。它通過將連續(xù)體離散為有限個單元，并對這些單元的相關參數進行分片插值，可以獲得連續(xù)體內各點的應力、位移和應變，從而可對整個土體的穩(wěn)定性、變形進行評價。有限元法的明顯優(yōu)點是不僅可以提供受荷土體的應力場與位移場，而且能在計算中考慮土體的非均質和非線性、土性隨時間的變化、施工程序及荷載的變化等，因而計算成果可以更真實地反映和模擬從施工開始到運營期土體形態(tài)變化的全過程。

本文運用大型通用有限元計算分析軟件ABAQUS對軟土路基填筑過程中地基的固結沉降進行數值模擬，分析在路基填筑過程中，軟土地基的位移和孔壓的變化規(guī)律，為在軟土地區(qū)修筑路基的處治設計和施工給予相應的參考。

一、ABAQUS軟件及soil分析模塊簡介

ABAQUS是國際上最先進的大型通用有限元計算分析軟件之一，具有驚人的廣泛的模擬性能。ABAQUS的特長是計算各種不同材料、復雜荷載過程以及變化接觸條件的非線性組合問題，而巖土介質恰恰是具有非均質、非線性性狀以及幾何形狀的任意性、不連續(xù)性等因素的特殊介質，這就使ABAQUS成為國內外巖土工程界使用的最普遍的有限元分析和計算軟件之一。

soil分析模塊是ABAQUS有限元軟件用于解決巖土材料數值計算的模塊，可以解決巖土固結、滲流以及滲流加力學的耦合分析等。

二、實例計算

（一）模型計算區(qū)域

有限元計算區(qū)域見圖1，沿路基中心線取1/2模型作為計算的區(qū)域。地基模型范圍寬56.5米，高40米；采用4節(jié)點孔壓單元，共有節(jié)點945個，單元880個，單元最大尺寸2m，最小尺寸0.6875m。1/2路堤模型頂寬12米，路堤高3米，邊坡坡率1：1.5；采用4節(jié)點單元，共有節(jié)點288個，單元144個，單元最大尺寸0.6785m，最小尺寸0.5m；路堤至下而上每0.5米作為一個填筑層，每層之間建立接觸連接，并利用單元生死功能自下而上激活路堤單元來模擬路基的填筑過程。

（二）材料

路堤和地基材料采用莫爾—庫倫材料本構模型，材料參數如下：

第一層地基材料：

淤泥質砂黏土：ρ=1937 kg·m³，E_i=6.0MPa，μ_i=0.4,C_u=15kPa,Φ_u=23°，k=6.54×10^-8m/s。

第二層地基材料：

松軟砂黏土：ρ=1939 kg·m³，E_i＝8MPa,μ_i＝0.35,C_u=23.0,Φ_u=25.0°，k=3.18×10^-8。

路堤填土：

路堤填土：ρ=2041 kg·m³，E_i＝20,μ_i＝0.3,C_u=147.0,Φ_u=33.0，不考慮滲流特性。

（三）邊界條件

對于固結分析來說邊界條件主要有兩類，除需要施加基本的位移邊界外，還應施加滲流邊界。

模型所施加的邊界條件情況見表1：

（四）模擬工況

路堤填筑按每50厘米至下而上分層填筑，每層填筑工期為7天。分層填筑加載示意圖見圖2：

（五）數值分析結果

通過分析可以得到不同路堤填筑時刻軟土地基的位移和孔壓的分布情況。圖3、圖4為路堤填筑完成時刻軟土地基的位移和孔壓的分布情況。

的豎向位移分布圖

從圖中可以看出，路堤填筑完成時刻軟土地基的位移的變化規(guī)律是，路基中心位移沉降最大，隨著距路基中心距離增大位移沉降逐漸減小。

在路堤填筑完成時刻，地基下部的超靜孔壓已經消散完畢，地基上部超靜孔壓還沒有完全消散。

圖5為路基中心處地基表面沉降隨路基填筑變化圖，從圖中可以看出，隨著路基的填筑，地基的沉降逐漸增大，初期沉降速率較大，至第5、6層路基填筑時，地基沉降速率逐漸降低，其后逐漸趨于穩(wěn)定。

三、結語

通過以上的分析，采用有限元法計算軟土地基的固結沉降，可以得到不同路堤填筑時刻軟土地基的位移和孔壓的分布情況，為預測軟土地基工后沉降和指導路基填筑過程提供了較為接近工程實際的參考數據。

參考文獻

[1]顏志雄，岳祖潤．秦沈客運專線某試驗段軟土地基固結有限元分析[J]．國防交通工程與技術，2004，(1)．

[2]Hibbitt，Karlsson & Sorensen Inc. ABAQUS Analysis User's Manual. 2004．

[3]Hibbitt，Karlsson & Sorensen Inc. ABAQUS Keywords Reference Manual.2004．

作者簡介：楊艷廣（1977- ），男，河北唐山人，中鐵建工集團有限公司拉薩分司工程師。