李金珂 李增光

【摘 要】為了尋找高填方路堤在不同壓實(shí)度下的沉降量特點(diǎn)以及沉降量與費(fèi)用之間的關(guān)系，本文用有限元軟件ANSYS對(duì)高填方路堤進(jìn)行建模，對(duì)不同的壓實(shí)度下的路堤沉降及壓實(shí)功進(jìn)行分析，得出了改變下層壓實(shí)度比改變上層壓實(shí)度有更好的經(jīng)濟(jì)效益等結(jié)論，對(duì)施工有指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】高填方路基；沉降；有限元；壓實(shí)度

路堤在施工和運(yùn)行期間，由于自固結(jié)和車輛荷載等因素，路面產(chǎn)生不同程度的沉降。高填方路堤堤身較高，填土自重引起沉降很大，嚴(yán)重影響行車的舒適與安全，甚至導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)破壞。因此分析高填方路堤在不同情形下的沉降，對(duì)施工工藝選擇有指導(dǎo)意義。本文利用有限元軟件ANSYS，對(duì)路堤在不同壓實(shí)度下的沉降進(jìn)行數(shù)值分析，使沉降和經(jīng)濟(jì)性達(dá)到較理想的程度，為高填方路基的施工提供參考。

1.計(jì)算模型及土性參數(shù)

1.1幾何模型

用 ANSYS建立有限元模型，采用solid45單元，選取路堤高度20m，路面寬度26m，變坡點(diǎn)上下高度分別為12m、8m，上部坡度1：1.5，下部為1：1.75，路堤縱向取1m，幾何模型如圖1。

圖1 幾何模型

壓縮層有效寬度即路堤坡腳以外的寬度。壓縮層有效寬度的確定，一般認(rèn)為越大越精確，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，壓縮層有效寬度H根據(jù)填土的高度Ho來確定，認(rèn)為H>3Ho即可，本文將壓縮層有效寬度取為90m，滿足上述要求[1]。

1.2定義路基材料

對(duì)幾何模型賦予材料屬性，地基土材料不變，材料屬性如下：密度1.95g·cm-3，粘聚力30kPa，內(nèi)摩擦角28°，彈性模量12MPa，泊松比0.35。路堤土按不同壓實(shí)度對(duì)應(yīng)的材料屬性進(jìn)行賦值，見表1。

表1 不同壓實(shí)度粘質(zhì)土的物理力學(xué)參數(shù)

1.3劃分網(wǎng)格及約束

按三角形網(wǎng)格自動(dòng)化分。整個(gè)路堤對(duì)垂直于面方向設(shè)置約束，底邊水平豎直方向都設(shè)置約束，左右兩側(cè)對(duì)水平方向設(shè)置約束。

1.4加載求解

對(duì)整個(gè)區(qū)域施加重力，用牛頓-拉普森迭代進(jìn)行求解。

2.基本假設(shè)

①土為各項(xiàng)同性連續(xù)介質(zhì)體。

②路基表面自由且為透水透氣邊界。

③中心對(duì)稱面各節(jié)點(diǎn)沒有水平位移，模型左右邊界水平方向位移為零，豎直方向允許發(fā)生位移，下邊界任意方向位移為零。

④不考慮地基的沉降變形。

⑤路堤的沉降是自身重力產(chǎn)生的，不考慮車輛等荷載對(duì)沉降的影響。

3.土的本構(gòu)模型

巖石、混凝土和土壤等材料都屬于顆粒狀材料，此類材料受壓屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)大于受拉屈服強(qiáng)度，在土力學(xué)中，常用的屈服準(zhǔn)則為Drucker-Prager屈服準(zhǔn)則，使用Drucker-Prage屈服準(zhǔn)則的材料簡(jiǎn)稱為DP材料。在巖石，土壤的有限元分析中，采用DP材料可得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果[4]。

4.計(jì)算過程與結(jié)果分析

4.1計(jì)算過程

在規(guī)范規(guī)定的壓實(shí)度范圍內(nèi)，對(duì)上路堤和下路堤分別設(shè)定不同的壓實(shí)度：上路堤壓實(shí)度范圍為94%～98%，下路堤為93%～98%，假設(shè)地基土已沉降完畢，在求解時(shí)通過生死單元求得地基自身沉降為3.1842m，路堤沉降為總沉降與地基沉降之差，將結(jié)果列于表2。

表格 2 不同壓實(shí)度下路堤沉降量（m）

4.2結(jié)果分析

4.2.1分析不同壓實(shí)度組合對(duì)沉降量的影響

下層壓實(shí)度不變，改變上層壓實(shí)度，計(jì)算沉降量減少的百分率，如圖3。上層壓實(shí)度不變，改變下層壓實(shí)度，計(jì)算沉降量減少的百分率，如圖4。

可以看出：（1）下層壓實(shí)度不變，當(dāng)上層壓實(shí)度大于96%時(shí)，下沉量的減少百分率明顯降低；（2）上層壓實(shí)度不變，隨著下層壓實(shí)度增加沉降量減少百分率總體下降，當(dāng)下層壓實(shí)度大于94%而小于96%時(shí)沉降量減少能力有所提高。所以從施工角度，應(yīng)充分重視下層壓實(shí)度，填筑上層之前，充分壓實(shí)下層，可以得到較小的沉降量。

4.2.2結(jié)合壓實(shí)功分析經(jīng)濟(jì)效益

不同壓實(shí)度下單位體積壓實(shí)功參照文獻(xiàn)[5]，計(jì)算出本模型體積在不同壓實(shí)度下的壓實(shí)功，選取下層壓實(shí)度為93%，當(dāng)改變上層壓實(shí)度時(shí)對(duì)應(yīng)擊實(shí)功如表4所示：

表4下層壓實(shí)度93%，上層壓實(shí)度改變對(duì)應(yīng)壓實(shí)功

壓實(shí)度越高，擊實(shí)功越高，費(fèi)用也越高，但可以減少沉降量，為了找到較為經(jīng)濟(jì)的壓實(shí)度，認(rèn)為減少單位沉降量對(duì)應(yīng)增加的擊實(shí)功越小，越為經(jīng)濟(jì)。以擊實(shí)功差與沉降量差的比值作為指標(biāo)i，i值越小越經(jīng)濟(jì)。例如：當(dāng)下層壓實(shí)度為93%，上層壓實(shí)度從94%增加到95%對(duì)應(yīng)i為53731765，以此類推。同理可得上層壓實(shí)度為94%，下層壓實(shí)度改變時(shí)對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，見表5：

表5一層壓實(shí)度不變，另一層改變時(shí)對(duì)應(yīng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)i

可以看出：改變下層壓實(shí)度比改變上層壓實(shí)度具有更好的經(jīng)濟(jì)效益。

5.結(jié)語(yǔ)

（1）由4.2.1中結(jié)論（1）和（2）看出，沉降量隨著壓實(shí)度的增加而減小，沉降量的減少量也有隨著壓實(shí)度的增加越來越小的趨勢(shì)。

（2）改變下層壓實(shí)度比改變上層壓實(shí)度具有更好的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）從施工角度，應(yīng)充分重視下層壓實(shí)度，在填筑上層之前，充分壓實(shí)下層，可以得到較小的沉降量和較好的經(jīng)濟(jì)效益。但是對(duì)如變形指標(biāo)要求高的公路，壓實(shí)度越高越好，防止因沉降過大引起病害。

【參考文獻(xiàn)】

[1]吳俊，陳開圣，龍萬學(xué).高填方路基沉降變形有限元數(shù)值模擬[J].公路工程，2009，34（2）.

[2]李華，陳晨，李向群，壓實(shí)度對(duì)高填方路基自身沉降影響的數(shù)值分析[J].鐵道建筑，2010，（5）.

[3]王瑞甫.高填方路基沉降計(jì)算及預(yù)測(cè)方法研究[D].湖南：湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003.

[4]何本國(guó).ANSYS 土木工程應(yīng)用實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2011，10.

[5]王釗，胡海英，鄒維列.路堤壓實(shí)的影響因素和壓實(shí)度要求[J].公路，2004，（8）.