壓實度對高填方路基自身沉降影響的數(shù)值分析

李 華，陳 晨，李向群

(1.吉林大學，長春 130012;2.吉林建筑工程學院，長春 130021)

工程實踐表明，路基沉降是高填方路基亟待解決的問題之一。高填方路基沉降，特別是工后不均勻沉降將嚴重影響行車的安全與舒適，甚至導致路基路面的結構性破壞，大大增加道路的養(yǎng)護與維修費用。高填方路基的沉降變形包括兩個方面:一是高填方路基自身的壓縮沉降;二是高填方路基下天然地基的壓縮變形。湯東等通過對路堤高度與沉降變形關系的計算分析指出，隨著路堤高度的增加，路堤自身的沉降占總沉降的比重顯著增加［1］。付魏等對幾種比較典型的壓實填土土樣分別在不同密實度、分級荷載應力作用下進行壓縮試驗，掌握其沉降變形特性，認為中高填方路基的沉降是因壓實不足所致，而不是固結沉降所致［2］。國內部分學者通過研究認為，對路基進行高標準的壓實是保證路基應有強度和穩(wěn)定性的一項最經濟有效的技術措施。本文在已有研究成果的基礎上，利用大型有限元軟件ANSYS就不同壓實度對高填方路基自身沉降變形的影響進行數(shù)值模擬分析，以探討壓實度與高填方路基自身沉降變形之間的關系，為高填方路基的設計與施工提供參考。

1 計算模型

1.1 基本假定

1)土石料為各向同性連續(xù)介質;

2)巖土材料為理想彈塑性體;

3)不考慮地基的沉降變形，認為地基在路堤荷載和自重的作用下已完成固結沉降變形;

4)路堤填料的變形是在自重作用下產生的，而不考慮行車荷載及氣候因素對其造成的影響;

5)不考慮路堤填料土體固結及孔隙水壓力的影響。

1.2 土的本構關系

本文采用適用于巖土類材料的Drucker-Prager(簡記D-P)彈塑性本構模型模擬高填方路基填土的應力應變關系。該模型使用Drucker-Prager屈服準則，考慮了中應力σ2對屈服和破壞的影響而且屈服面光滑沒有棱角，有利于塑性應變增量方向的確定和數(shù)值計算。該準則所需材料參數(shù)少，且易于試驗測定或由C-M準則材料常數(shù)換算。此外，D-P準則考慮了靜水壓力對屈服和破壞的影響，因此特別適用于巖土類材料的本構模型使用。其屈服面為圓錐形，是六角形的摩爾-庫侖屈服面的外切錐面，見圖1。

使用D-P模型時，除了輸入彈性模型所需的基本參數(shù)外，還需輸入黏聚力 c、內摩擦角 φ和膨脹角 φf三個參數(shù)，其中膨脹角φf是用來控制體積膨脹大小的參數(shù)。對于壓實的顆粒狀材料，當材料受剪時顆粒會發(fā)生膨脹，如果膨脹角φf=0，則不會發(fā)生體積膨脹，如果φf=φ則會發(fā)生嚴重的體積膨脹。一般情況下偏于保守，取φf=0。

1.3 有限元分析幾何模型

路基作為線形帶狀構造物，可將其視為平面應變問題進行彈塑性數(shù)值模擬分析。沿行車方向取1 m，路基總高度為24 m，邊坡形式為折線形，上部8 m坡度為1∶1.5，下部16 m坡度為1∶1.75，采用黏質土填筑。地基土第一層為黏土層，厚20 m;黏土層下取40 m厚基巖，地基土水平方向取為200 m，計算模型如圖2所示。根據現(xiàn)場試驗及室內三軸試驗確定各材料及不同壓實度路基填土的物理力學參數(shù)如表1和表2所示。

圖1 D-P屈服面和摩爾庫侖屈服面

圖2 高填方路基計算模型

表1 材料物理力學參數(shù)表

表2 不同壓實度黏質土的物理力學參數(shù)表

2 計算結果及分析

2.1 計算結果

為了研究不同壓實度對高填方路基自身沉降變形的影響，本文分別取壓實度為90% ～98%，利用前面建立的有限元分析幾何模型進行數(shù)值模擬分析，計算結果見表3和圖3。

2.2 計算結果分析

由表3可知，當路基填料的壓實度由90%增加到98%時，路基自身壓縮沉降由7.34 cm減小到5.58 cm，降低了23.98%。由此可知，路基自身壓縮沉降對路基變形的影響不容忽視，嚴格控制壓實標準或適當提高現(xiàn)場壓實標準，可有效降低因路基自重引起的壓縮沉降變形。

表3 不同壓實度條件下的路基自身壓縮沉降

圖3 高填方路基自身沉降與壓實度變化關系

由圖3可以看出，高填方路基自身壓縮沉降值隨壓實度的增加而線性減小，相關系數(shù) R=0.998 8，相關性較好。

3 結語

1)高填方路基自身沉降是其總沉降變形的重要組成部分，對路基變形的影響不容忽視。

2)施工中嚴格控制壓實標準，可有效降低因路基自重引起的壓縮沉降變形，從而達到降低高填方路基總沉降變形的目的。

3)高填方路基自身壓縮沉降隨壓實度的增加而線性減小，相關性較好，可利用其回歸公式預測不同壓實度時的自身沉降。

［1］湯東，楊有輝.路堤高度與沉降變形關系的計算分析［J］.公路交通技術，2007(9):1-3.

［2］付魏，張冬青，李淼.公路路基填土沉降特性分析［J］.世界地質，2003，22(3):294-297.

［3］龐旭清.路基壓實黃土力學特性三軸試驗研究［J］.鐵道建筑，2009(9):75-78.

［4］鄭穎人，龔曉南.巖土塑性力學基礎［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1989.

［5］郝文化.ANSYS土木工程應用實例［M］.北京:中國水利水電出版社，2005.