高填方路基涵洞在多場耦合下的特性研究

孟旖

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 天津 300308）

1 概述

隨著交通工程的迅速發(fā)展，道路成為貫穿工程的生命線，高填方路基的設(shè)計(jì)和施工也就成了目前關(guān)注的重點(diǎn)。對(duì)于高填方路堤涵洞的研究主要集中在非凍土區(qū)的路堤涵洞所受垂直土壓力的大小、涵洞上覆荷載的減荷技術(shù)、涵洞變形等方面。在季凍區(qū)高填方路堤溫度場引起的路堤形態(tài)改變與涵洞受力變形之間的關(guān)系等方面還有諸多待完善之處。凍土路基是在路基上部覆蓋一層厚度1～5m的季節(jié)凍融層，土層在融化過程中會(huì)產(chǎn)生融沉變形，而凍結(jié)過程中則產(chǎn)生凍脹變形。

以承德市豐寧縣高填方涵洞為依托工程，用ABAQUS軟件對(duì)高填方路基進(jìn)行為期一年的多場耦合模擬，對(duì)于季凍區(qū)高填方路基涵洞的受力行為提出新的研究理論。

2 有限元分析及結(jié)論

2.1 有限元模型的建立

路堤由土石混合填料組成，路基高度30m，根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)報(bào)告以及參考文獻(xiàn)確定材料參數(shù)。

路堤邊坡穩(wěn)定性研究中主要考慮土體自重的影響，未考慮列車荷載對(duì)路基穩(wěn)定性的影響。凍土路基發(fā)生凍脹融沉，土體的應(yīng)力不斷傳遞和分散就使得路基產(chǎn)生了不均勻的位移。

整體模型底部加固定端約束，路堤邊坡加側(cè)向約束，地表為自由面；模型中未加入不均勻沉降的因素，主要考慮季凍區(qū)土體的凍脹融沉對(duì)位移的影響。

2.2 多場耦合模擬過程

本節(jié)利用ABAQUS有限元計(jì)算軟件模擬水分場、溫度場和重力場對(duì)路基的共同作用，水分場中主要考慮水的相變潛熱，模擬溫度場時(shí)，是穩(wěn)態(tài)分析過程，初始應(yīng)力分布與初始飽和度形成之后，再進(jìn)行瞬態(tài)分析。

2.3 多場耦合模擬計(jì)算分析

從第一年的8月開始到第二年的8月結(jié)束，進(jìn)行了多物理場耦合的分析，即溫度場、應(yīng)力場和相變之間相互作用的模擬。

2.3.1 冷橋效應(yīng)

“冷橋”效應(yīng)主要指在建筑物外圍結(jié)構(gòu)與外界進(jìn)行能量傳導(dǎo)時(shí)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的某些部位和其他部位的熱傳導(dǎo)系數(shù)存在差別，使得能量從某些部位能夠快速的傳遞。對(duì)于高填方路基中的涵洞，在寒季出現(xiàn)冷橋效應(yīng)，增加涵洞的受力，減少混凝土的使用壽命和影響涵洞和周圍土體之間的相互作用，所以應(yīng)該盡量避免冷橋效應(yīng)的出現(xiàn)。

2.3.2 結(jié)合“冷橋效應(yīng)”分析計(jì)算結(jié)果

圖1距離涵頂不同位置處的應(yīng)力值

圖1 所示分別為距離涵洞頂部0m和0.83m處一年的應(yīng)力值變化，可以看出0m處和0.83m處的應(yīng)力值的趨勢(shì)一致。12月以后，涵洞應(yīng)力值減小，是由于溫度逐漸降低，涵洞和填土中的水分發(fā)生相變，出現(xiàn)凍脹的現(xiàn)象，溫度逐漸降低，涵洞發(fā)生了“冷橋效應(yīng)”，涵洞自身的承載能力提高；3月以后，開始回暖，路基的融沉現(xiàn)象較為明顯，填土進(jìn)入融化狀態(tài)，涵洞的“冷橋”作用消失，涵洞又開始承受上部體的重量，應(yīng)力值逐漸增加。以上現(xiàn)象說明了涵洞在寒季會(huì)產(chǎn)生“冷橋”效應(yīng)。

涵壁周圍土體首先形成凍結(jié)圈，逐漸向路基內(nèi)部延伸；在多場耦合計(jì)算的第150d左右，上部位置的路基填料產(chǎn)生凍結(jié)，逐漸形成凍結(jié)圈，大概經(jīng)過90d的時(shí)間，形成最大凍結(jié)圈；又經(jīng)過40d左右時(shí)間，土體逐漸融化，涵洞周圍凍結(jié)層逐漸消失，再經(jīng)歷大約30d時(shí)間，凍結(jié)層徹底消失，進(jìn)入融化狀態(tài)。當(dāng)外界溫度低于路堤內(nèi)部溫度后，涵洞周圍的路堤填料將通過涵洞使溫度降低，溫度低于填料凍結(jié)點(diǎn)之后出現(xiàn)凍脹現(xiàn)象，且隨著外界溫度的降低凍結(jié)層厚度逐漸增厚；當(dāng)外界溫度高于路堤填料凍結(jié)溫度后，涵洞周圍的凍結(jié)層迅速融化。

3 結(jié)論

經(jīng)過研究可以發(fā)現(xiàn)，在凍土路基凍結(jié)期間，路基本體在涵洞周圍處會(huì)形成凍結(jié)圈。涵洞發(fā)生了“冷橋”效應(yīng)，涵洞自身的承載能力提高，從而涵洞計(jì)算出的應(yīng)力值減小，提高了自身的承載能力，當(dāng)溫度升高時(shí)冷橋效應(yīng)逐漸消失。但是在工程實(shí)際當(dāng)中，應(yīng)盡量避免冷橋效應(yīng)的產(chǎn)生，防止工程質(zhì)量受到影響。

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