Marc有限元软件在黄土路堤工后沉降预测中的应用

庞旭卿

(陕西铁路工程职业技术学院，陕西渭南 714000)

MSC.Marc是目前国际上先进的通用非线性有限元分析程序，其原理是对于非线性问题采用在各增量步内对非线性代数方程组进行迭代以满足收敛判定条件。根据具体分析的问题可采用不同的分析方法，如对于弹塑性分析采用切线刚度法，对于蠕变分析采用初应变法［1］。在MSC.Marc软件中，支持线弹性模型，非线弹性模型和弹黏塑性模型等模拟土体的力学行为［2］。采用MSC.Marc有限元软件模拟分析工后沉降对黄土地区高速公路建设与维护具有重要意义［3］。

1 工程概况

选择的某现场试验场地主要为第四纪晚更新统马兰黄土(厚度10～15 m)和中更新统离石黄土，孔隙发育，结构疏松，具有高压缩性和自重湿陷性等特征。振动碾压试验场地按3×20 m×30 m布置;取样探坑布置在设定点位中心外的1～5 m处，每段设1处，人工开挖;沉降观测点在振动碾压过程中及振动碾压后按每20 m选取1个断面，共3个断面，每个断面选取3个测点，中线位置及垂直方向左、右各15 m或20 m间隙各布设1个点位，共布置9个点位。试验段平面及检测点布置见图1。

图1 振动碾压试验点平面布置示意(单位:m)

在振碾区域，观测点的路堤高度为3.5 m，路堤边坡的坡比为1∶1，上部路堤的宽度为8 m，下部路堤的宽度为15 m，在路堤表面设置观测点为2号，3号，4号，3个观测点的埋深都为3.5 m，路堤沉降观测剖面见图2。

图2 振碾区路堤沉降观测剖面(单位:m)

2 振动碾压施工

2.1 施工方法

先用推土机清除地表腐植土，使表面凹凸相差不超过100 mm，坡度小于4%。然后采用振动压路机在试验路段的场地分别进行4遍，8遍，12遍3个能量级的振动碾压，在碾压过程中当土壤中含水量不够时，洒水进行调整，控制在最佳含水量±2%上下。通过土体受迫振动完成材料颗粒的重新排列形成骨架-密实结构［4］。

碾压方法采用1/6轮距错轮振动碾压，振动碾压施工机具及现场见图3。第4遍碾压完成后进行人工挖探坑取土样，按要求进行室内试验，同时进行场地表面高程测量，观测地表沉降情况。取样工作完成后进行第5至第8遍振动碾压。之后再进行人工挖探坑取土样、沉降观测工作。

图3 振动碾压施工机具及现场

2.2 检测方法

在试验区内每碾压1遍后，测量碾压机械行驶速度和各测点的沉降量，测试不同遍数、不同深度的压实度。

2.3 现场记录

振动碾压施工过程中对每一次错轮轮距、压路机行驶速度和每碾压1遍的沉降量等做好详细的现场记录;每一遍碾压的间歇时间现场记录;振动碾压施工前地表高程、每一遍碾压完成后地表高程详细现场记录;振动碾压施工前探井位置、第4遍(第8遍、第12遍)碾压完成后探井位置以及浸水试验后探井位置的详细现场记录。

3 黄土路堤振碾工后沉降有限元模型的建立

3.1 有限元模型的建立

根据室内试验和现场的载荷、触探、标贯试验可以得到计算的各个参数，其值见表1。

表1 各种碾压遍数的路基计算参数

把路基分为3层，应用有限元来进行数值模拟。第1层为振碾影响深度，其中计算参数见表1，其深度根据振碾影响的深度来确定;第2层为Q3黄土层;第3层为Q2黄土层。以2 m高的路堤为例，对整个路堤和路基区域进行有限元网格划分［2］，其振碾4遍的计算模型如图4所示。

图4 H=2 m，振碾4遍的有限元沉降计算模型

3.2 路堤加载方法

针对不同高度的路堤利用MSC.Marc有限元软件分别采用逐级加载和一次性加载的方式进行模拟。逐级加载模拟相当于把每一层路堤填土作为一次加载，根据该层土体参数计算出其应力和变形，新的一层引起的变形和应力与先前值叠加，直至完成整个施工过程的模拟计算［4］。一次性加载是把加载量一次性全部加载到路基上计算地基和路堤的应力和沉降变形［5～6］。

4 振碾黄土路堤工后沉降的数值仿真

公路黄土路基的计算包含路堤和地基2个部分。路堤的计算高度H分别为2，5，10，15 m，而地基的深度可以取一定的深度，其宽度随上部路堤宽度的变化而变化。按照规范设计上部路面的宽度为26 m，路堤边坡坡比为 1 ∶1.5［2，7］。

针对2 m高的路堤分别采用逐级加载和一次性加载的方式，以重度γ=18 kN/m3，振碾4遍为例，其路基和路堤的变形沉降量见图5～图10。

图5 H=2 m，4次逐级加载，振碾后路基和路堤的协调变形云图

图6 路基表面4次逐级加载下的沉降量

图7 垂直中心点4次逐级加载下的沉降量

图8 H=2 m，一次性加载，振碾后路基和路堤的协调变形云图

图9 路基表面一次性加载下的沉降量

图10 垂直中心点一次性加载下的沉降量

由图5～图10可以看出:路基的沉降量主要是由地基的沉降变形引起的;路基沉降量的大小从中心向两侧呈现递减趋势;地基在路基中心线以下部分沉降量最大，整体呈现盆形沉降规律［4］。逐级加载和一次性加载方式下的路基中心变形沉降量和最大的沉降量随着振碾遍数的增加呈明显减小趋势。逐级加载方式下路基中心的变形沉降量要比一次性加载方式大，并且两者的差值随着振碾遍数的增加而减小。对于最大变形沉降量，两种加载方式模拟计算结果相差不大。试验场地路基振碾前后的沉降变形量见表2。

表2 试验场地路基振碾前后的沉降变形量(γ=18 kN/m3)cm

5 现场路堤应力应变试验

5.1 观测点布置和观测设备的埋设

在现场选取试验路段埋设沉降杯，并按“断面编号-层位-沉降杯埋设顺序”的方法对沉降杯进行编号，如M1-1表示断面M1上第一层路堤中心处的沉降杯［8］。沉降杯布置如表3及图11所示。

表3 某试验路段M沉降杯布置工况

图11 某试验路段M沉降杯布置示意(单位:m)

5.2 路基沉降随时间变化规律

部分试验断面路堤中心处沉降观测结果(h表示填土高度)，如图12所示。

图12 沉降观测结果

从路基沉降实测结果可以看出，路堤和地基总沉降量随时间增长而增大，但增加速率越来越小，且随着时间的增长逐渐趋于稳定。

5.3 同一断面处路基沉降规律

(1)土压力

图13表示试验路段M1断面第1层土压力沿水平方向分布曲线。

从图13中可以看出，土压力观测点所测土压力随着上面填土高度的增大不断增大且变化较大，路堤填筑结束后，土压力值趋于稳定。最大土压力出现在路堤中心处，最外侧26 m处实测土压力很小且变化很小，这与有限元数值分析结果相一致。

(2)沉降

图14为M1-1断面的沉降沿水平方向分布曲线。

图13 试验路段M1断面土压力曲线

图14 M1－1断面沉降曲线

从图中可以看出，沉降观测点所测沉降量随着上面填土高度的增大在不断增大且变化较大，路堤填筑结束后，在一定时期内沉降将继续发展［9］。路基某一横断面上沉降值中间大，两侧小，且规律较为明显，这与有限元数值分析结果相一致。

6 结论

采用MSC.Marc软件对公路黄土路基的沉降问题进行仿真分析，模拟结果比较符合实际且可直观地得出路基沉降变形的规律。

(1)路基的沉降量从中心向两侧呈递减趋势，地基在路基中心线以下部分沉降量最大，整体呈盆形沉降规律，与路基实际变形趋势相符。

(2)对于路基中心的变形沉降量，逐级加载方式要比一次性加载方式大，并且两者的差值随着振碾遍数的增加而减小并趋于一个稳定值。对于路基最大的沉降量，两者相差不大。

(3)在路堤填筑过程中，土压力观测点处所测土压力随着填土高度的增大不断增大，且变化较大;路堤填筑结束后，土压力值趋于稳定，最大土压力出现在路堤中心处。

(4)在路堤填筑过程中，沉降观测点处的沉降随着填土高度的增加而不断增大，且变化较大。路堤填筑结束后，随着时间的增长，下部填方土体的沉降继续增大，但变化小。

［1］王宗魁.三峡地下电站主厂房开挖变形特性分析［D］.武汉:长江科学院硕士学位论文，2008.

［2］庞旭卿.公路黄土路基工后沉降的数值仿真分析［J］.郑州铁路职业技术学院学报，2010(4).

［3］庞旭卿.黄土地区公路路基压实技术研究［J］.路基工程，2009(2).

［4］颜斌，王航，倪万魁.公路黄土地基处治前后沉降变形分析［J］.工程地质学报，2007，15(4):522-523.

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［8］李明领，周全能，陈善雄，许锡昌.试论铁路客运专线沉降变形观测评估工作模式［J］.铁道标准设计，2010(2).

［9］张卫兵.黄土高填方路堤沉降变形规律与计算方法的研究［D］.西安:长安大学，2007.

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