高速公路路堤不同填筑高度下的位移及應(yīng)力分析

藍英

摘要：文章以某地高速公路路堤填筑為研究對象，采用配制的改良土進行路堤填筑模擬分析，并研究了不同填筑高度下的路堤位移及應(yīng)力變化規(guī)律。結(jié)果表明：（1）路堤水平位移沿中心兩側(cè)呈對稱分布，從中心往兩側(cè)路肩方向水平位移依次增大，且路堤頂部位移隨填筑高度增大，路堤填筑高度越大越不安全;（2）路堤頂部豎向位移最大，沿深度向下豎向位移逐漸減小，且路堤頂部中心最大豎向位移隨填筑高度增大而增大，沿路堤中心向兩側(cè)豎向位移逐漸減小;（3）路堤坡腳位置處水平應(yīng)力隨路堤高度增加而增大，當(dāng)填筑高度增大時應(yīng)采取一定的坡面防護措施;（4）隨著路堤高度的增加，路堤水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力逐漸增大，且水平和豎向應(yīng)力均隨路堤填筑高度增大而增大。

關(guān)鍵詞：高速公路;路堤;填筑高度;位移;應(yīng)力;數(shù)值分析

0 引言

修建高速公路工程過程中，由于地表高差現(xiàn)象的存在，路堤填筑成了常見的施工內(nèi)容。由于路堤不同填筑高度具有不同的力學(xué)行為，因此研究不同填筑高度下的高速公路路堤位移和應(yīng)力變化規(guī)律對于指導(dǎo)設(shè)計和施工具有重要的作用。近年來，國內(nèi)學(xué)者對此進行了一些研究，孫鍇、陳超等人[1-2]以某高速公路煤矸石作填筑材料施工為研究對象，分析和模擬了3種不同壓實度及3種不同填筑高度的煤矸石路堤的計算模型，計算了在不同壓實度和填筑高度下路堤模型的豎向沉降、水平位移以及最大應(yīng)力值，并對其變化規(guī)律進行了研究;劉金修、謝榮凱等人[3-4]采用有限元計算分析軟件，建立拓寬路基不同填筑高度下的力學(xué)計算模型，系統(tǒng)分析路基在不同填筑高度下的力學(xué)特性，研究高速公路不同填筑高度對拓寬路基的豎向位移、水平位移、豎向應(yīng)力、剪應(yīng)力等力學(xué)行為的影響;夏英志、王志斌等人[5-6]以某高速路堤為例，采用有限元軟件研究了不同填方高度、路基土壓實度和不同填筑材料對高填方路堤差異沉降特性，得出改善路堤填土的力學(xué)性質(zhì)是減小路基壓縮沉降非常有效的措施之一;商慶森、章定文等人[7-8]采用有限元軟件研究了不同行車荷載、不同填筑高度下的路基變形和應(yīng)力，研究表明超限車輛引起粉性土路堤的過大變形是導(dǎo)致半剛性瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞開裂的重要因素，提高粉土路基的壓實度能有效地降低路基的孔隙比及變形，并改善路面結(jié)構(gòu)的疲勞拉應(yīng)力狀況。本文主要以某地高速公路路堤填筑為研究對象，采用配制的改良土進行路堤填筑，重點分析了不同填筑高度下的位移及應(yīng)力變化規(guī)律，研究結(jié)果可為類似工程設(shè)計和施工提供一定的參考依據(jù)。

1 工程概況

某高速公路工程地基為膨脹土素土，路基填料采用改良土填筑，改良土配方為石灰、煤矸石和膨脹土三者比例為1∶2∶10的混合料。路基頂部寬度設(shè)計值為25.5 m，路基填筑高度范圍為5～20 m，坡率按照1∶1.5設(shè)計，施工時采用分層鋪填碾壓的方法，每次填筑高度為1.0 m。為了探究不同填筑高度下路堤的位移及應(yīng)力變化規(guī)律，下文采用數(shù)值模擬的方法進行分析。

2 數(shù)值建模

圖1所示為采用有限元軟件ANSYS軟件建立的數(shù)值模型圖。根據(jù)實際工況，路基的頂部寬度取值為25.5 m，高度H取四種工況，分別為5 m、10 m、15 m和20 m，坡率為1∶1.5，施工時采用分層鋪填碾壓的方法。路堤坡底寬度對應(yīng)依次為40.5 m、55.5 m、70.5 m和85.5 m，模型整體寬度取104 m，模型長度（垂直路基截面方向）取10 m，模型地基高度取20 m。除上邊界外，其他邊界均進行位移約束。

表1給出了石灰、煤矸石和膨脹土三者比例為1∶2∶10時混合料（即路堤）和地基原膨脹土的有關(guān)物理力學(xué)參數(shù)。

3 數(shù)值結(jié)果分析

3.1 位移監(jiān)測分析

本節(jié)從水平位移和豎向沉降方面對路堤不同填筑高度時的變化規(guī)律進行分析。

3.1.1 水平位移監(jiān)測分析

如圖2所示，為不同路堤高度時的路堤上頂層水平位移曲線，規(guī)定路堤左半側(cè)以位移向左為正，路堤右半側(cè)以位移向右為正，反之為負。由圖2可知，水平位移沿路堤中心兩側(cè)對稱分布，路堤中心水平位移基本為0，往兩側(cè)路肩方向水平位移依次增大，且從路堤中心到兩側(cè)水平位移基本呈現(xiàn)出線性增大的趨勢。當(dāng)路堤高度H取5 m、10 m、15 m和20 m時，對應(yīng)的路堤最大水平位移（即路堤頂部兩側(cè)邊緣）依次為2.21 mm、4.18 mm、5.72 mm和6.80 mm，相比于路堤填筑高度為5 m時，填筑高度為10 m、15 m和20 m時路堤頂部最大水平位移分別增大了89.1%、158.8%、207.7%，路堤頂部位移隨填筑高度增大，其增速逐漸減緩。

如圖3所示，為不同路堤高度時的路堤與地基接觸面水平位移曲線，同樣規(guī)定路堤左半側(cè)以位移向左為正，路堤右半側(cè)以位移向右為正，反之為負。由圖3可知，水平位移沿路堤中軸線兩側(cè)對稱分布，路堤與地基接觸面軸線中心水平位移基本為0，往兩側(cè)坡腳方向水平位移先增大后減小。當(dāng)路堤高度H取5 m、10 m、15 m和20 m時，對應(yīng)的路堤與地基接觸面最大水平位移依次為1.98 mm、6.04 mm、10.43 mm和14.82 mm，相比于路堤填筑高度為5 m時，填筑高度為10 m、15 m和20 m時路堤與地基接觸面最大水平位移分別增大了205.1%、426.8%、648.5%，路堤與地基接觸面水平位移隨填筑高度增大而增大。路堤高度H取5 m、10 m、15 m和20 m時最大水平位移發(fā)生位置依次為距離路堤中線18 m、23 m、27 m和30 m。對比圖2和圖3可知，路堤填筑對路堤與地基接觸面影響更大。

3.1.2 豎向位移監(jiān)測分析

圖4為不同路堤高度時的路基中線沿深度方向的豎向位移曲線圖，規(guī)定路堤位移以豎直向下為正，反之為負。由圖4可知，路堤頂部豎向位移最大，沿深度向下，豎向位移逐漸減小。當(dāng)路堤高度H取5 m、10 m、15 m和20 m時，對應(yīng)的路堤頂部中心最大豎向位移依次為47.3 mm、68.0 mm、89.1 mm和110.4 mm，相比于路堤填筑高度為5 m時，填筑高度為10 m、15 m和20 m時路堤頂部中心最大豎向位移分別增大了43.8%、88.4%、133.4%，說明路堤頂部中心最大豎向位移隨填筑高度增大而增大。此外，觀察圖4還可以發(fā)現(xiàn)，在路堤深度范圍內(nèi)，沿深度方向豎向位移減小速率較慢，而在地基深度范圍內(nèi)，沿深度方向豎向位移減小速率較快，基本呈線性減小。

圖5為不同路堤高度時的路堤右頂點沿深度方向的豎向位移曲線圖，仍然規(guī)定路堤位移以豎直向下為正，反之為負。由圖5可知，沿深度向下，路堤右頂點豎向位移逐漸減小。當(dāng)路堤高度H取5 m、10 m、15 m和20 m時，對應(yīng)的路堤右頂點豎向位移依次為42.4 mm、60.1 mm、81.3 mm和103.3 mm，該處豎向沉降規(guī)律與圖4相同。對比圖5和圖4可知，路堤中心沉降最大，路堤高度H取5 m、10 m、15 m和20 m時，路堤右頂點豎向位移同比路堤中心依次減小了10.4%、11.6%、8.8%和6.4%，說明沿路堤中心向兩側(cè)豎向位移逐漸減小，且路基填筑高度越大，路基整體沉降越均勻。

3.2 應(yīng)力云圖分析

3.2.1 水平位移云圖

下頁圖6為不同路堤高度時的水平應(yīng)力云圖。由圖6可知，不同路堤高度時，路堤中心水平應(yīng)力小于同期其他部位，坡腳位置處水平應(yīng)力隨路堤高度增加而增大，因此當(dāng)填筑高度增大時，應(yīng)采取一定的坡面防護措施。此外，觀察圖6可以發(fā)現(xiàn)，隨著路堤高度的增加，路堤水平應(yīng)力逐漸增大，且同一水平位置上，路堤中線處水平應(yīng)力大于兩側(cè)。

3.2.2 豎向位移云圖

圖7為不同路堤高度時的豎向應(yīng)力云圖。由圖7可知，不同路堤高度時，路堤中心豎向應(yīng)力沿路堤中軸線左右對稱，沿路堤深度方向豎向應(yīng)力逐漸增大，且豎向應(yīng)力隨路堤填筑高度增大而增大。

4 結(jié)語

本文主要以某地高速公路路堤填筑為研究對象，采用配制的改良土進行路堤填筑，重點分析了不同填筑高度下的位移及應(yīng)力變化規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）路堤水平位移沿中心兩側(cè)呈對稱分布，路堤中心水平位移基本為0，往兩側(cè)路肩方向水平位移依次增大，相比于路堤填筑高度為5 m時，填筑高度為10 m、15 m和20 m時路堤頂部最大水平位移分別增大了89.1%、158.8%、207.7%，即路堤頂部位移隨填筑高度增大，路堤填筑高度越大越不安全。

（2）路堤頂部豎向位移最大，沿深度向下豎向位移逐漸減小。相比于路堤填筑高度為5 m時，填筑高度為10 m、15 m和20 m時路堤頂部中心最大豎向位移分別增大了43.8%、88.4%、133.4%，說明路堤頂部中心最大豎向位移隨填筑高度增大而增大。此外，沿路堤中心向兩側(cè)豎向位移逐漸減小，且路基填筑高度越大，路基整體沉降越均勻。

（3）路堤中心水平應(yīng)力小于同期其他部位，坡腳位置處水平應(yīng)力隨路堤高度增加而增大，即當(dāng)填筑高度增大時，應(yīng)采取一定的坡面防護措施。此外，隨著路堤高度的增加，路堤水平應(yīng)力逐漸增大，且同一水平位置上，路堤中線處水平應(yīng)力大于兩側(cè)。

（4）不同路堤高度時，路堤中心豎向應(yīng)力沿路堤中軸線左右對稱，沿路堤深度方向豎向應(yīng)力逐漸增大，且豎向應(yīng)力隨路堤填筑高度增大而增大。[KG-1mm][XCW.TIF，JZ]

參考文獻：

[1]孫 鍇，彭 立，杜勇立，等.基于FLAC3D的煤矸石路堤沉降與應(yīng)力分析與現(xiàn)場測試對比研究[J].公路工程，2014（1）：83-87，98.

[2]陳 超.高速公路拓寬段路基填土參數(shù)變化下的力學(xué)行為分析[J].福建交通科技，2020（3）：11-14.

[3]劉金修，付 曉.高速公路不同填筑高度下力學(xué)行為研究分析[J].新疆交通運輸科技，2016（6）：14-17.

[4]謝榮凱，方 東，鞠 舸，等.邊坡尺寸對高填方路堤位移影響分析[J].中國水運（下半月），2020，20（4）：175-176.

[5]夏英志，程 玉.高速公路高填方路堤差異沉降特性研究[J].公路工程，2019（4）：268-273.

[6]王志斌，李 亮.山區(qū)貼坡路堤工作性狀模型試驗研究[J].湖南城市學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，20（1）：8-12.

[7]商慶森，朱海波，杜紅慶.行車荷載和填筑高度對粉性土路堤變形的影響[J].公路交通科技，2004（1）：24-27.

[8]章定文，劉松玉.高速公路擴建工程中新路填筑對老路影響的參數(shù)分析[J].公路交通科技，2006，23（7）：31-34.