高填方路基分层填筑压实数值仿真研究

赵经纬

摘 要：论文在分析高填方路基的施工特点的基础上，结合对高填方路堤分层填筑模拟原理的分析，对高填方路基分层填筑的压实标准进行确定，结合工程实例分析了高填方路堤分层填筑模拟过程，并对计算结果进行分析。

关键词：高填方路基；分层填筑；仿真

路基是路面的基础，是公路工程的重要组成部分。路基与路面共同承受交通荷载的作用，它必须具有足够的强度，稳定性和耐久性。高填方路基出现较多的问题通常是路基整体或局部下沉、路基开裂、路基滑动或边坡滑移失稳。由于不同地形和地质条件的特点，使路堤的填筑情况存在较大的差异，为工后不均匀沉降留下了隐患。

1工程背景

M道路为二级公路，全长4.7km，设计路基宽度12.5m，由快速道路、M河大桥及辅助跨线桥、排水箱涵等组成。 M桥路面设计荷载:汽-超20级、挂-120，属大型桥梁工程。大桥南北两岸地势低洼，采用高填方路基，其中北岸填方路段长265m，最大填方高度8.1m。该路段作为大桥20m和40m大型T梁预制构件施工场地，要求在40天内快速完成。

2高填方路基施工的特点

填筑高度大,要求路堤本身具有足够的整体强度和边坡稳定性。填筑断面面积大,填筑工程量巨大,路堤的填筑缺陷相对较多,填筑质量保证较为困难。

路堤本身累积沉降大,对路堤单位填筑高度的工后沉降要求更为严格。因此,在工程施工过程和工程完工后的车辆营运阶段,发生的病害较多,而且较难处治。高填路基常见的病害有:路基整体下沉或局部沉降,路基纵横开裂,路基滑动或边坡滑坍。随着路基填筑结束,虽然地基所受填土产生的土压力趋于稳定,但由于多种因素(施工、行车、环境等)影响并通过实际观测资料证明,还不能立刻稳定下来,需要经过约8～12月时间,才能使路基逐渐趋于稳定。

3高填方路堤分层填筑模拟原理

高填方路堤的施工方法为分层填筑压实，自下而上逐层填筑。根据压实机具的有压实深度和压实度要求确定每层的填筑厚度，每一层填土都经充分压实至满足要求后，再进行下一层次的填筑施工，以保证路堤在整个填筑高度范围内均满足压实度和稳定性要求。

采用增量法进行高填方路堤分层填筑施工仿真分析，逐级施加填土荷载。路堤逐级施加荷载过程中，填筑至某一高度，即由该高度以下己填筑土体承担这部分荷载。这部分荷载将不对尚未填筑的上层土体起任何作用，上层土体不受下层土体的影响。并假设变形在施工中瞬时产生，下部结构的自重对上部结构的变形无任何影响。施工高度以下土重引起的位移己经发生，该高度以上各点如果发生位移，仅仅是其上土重的作用所引起。

由ANSYS建模，模型高度即为路堤最后实际填筑所达高度。由ANSYS的“单元生死”功能模拟实现分层填筑施工过程。模拟第一层填土施工时，由ANSYS的“杀死”功能使上层的填土模型不起作用，计算路堤下方土层在填土后引起的沉降，当其上一层被“激活”时，相当于施加第二层填土荷载。依此类推，完成整个施工过程的模拟。

4压实标准的确定

充分压实路基可以直接有效地控制路堤沉降和不均匀沉降，但过分强调压实度则导至增加不必要的工程费用。本文用数值仿真方法确定该路段的压实标准，在保证工程质量的同时，经济快速地完成路堤填筑施工。

以Kl+740处典型断面建立有限元分析模型，采用不同压实度时的试验数据（以90%、93%、95%、98%为例）进行数值仿真计算，得出的不同压实度时典型断面(KI+740)处Y、X方向位移如图1、图2所示。

图1不同压实度时典型断面处Y方向位移 图2不同压实度时典型断面处X方向位移

由此可见，压实度提高，土体的密度加大，可以有效地提高土体的强度和抵抗变形的能力，同时也降低了土体的透水性，使毛细水上升高度减小，水稳定性得到提高。考虑高填方路基快速施工的要求，结合路堤承载力及填料的强度要求，将本路段路基填筑压实标准，在规范要求标准情况下适当提高，按K=95%标准进行压实控制，可以较好地满足工程的特殊需要。

5高填方路堤分层填筑模拟过程及计算结果分析

以水平网格表示路堤分层填筑过程，进行有限元模型网格划分。LWE单元表示所填筑的第一层土体，LIVE单元以上的单元被杀死，即为第一层土体的模拟填筑过程。据此，求解得出施加第一层填土后的变形计算结果并得出第一层填土施工完成后的位移等值线.

然后，激活上一层单元作为第二层填土。得到第二层填土后的变形图和等值线图。依次类推，逐层施加填土荷载依次求解。图3表示了填筑至设计所要求高程后的计算结果。

(a)最终变形结果 (b)最终填土后位移件等值线图

图3全断面分层填筑施工模拟计算

6不同分层填筑厚度计算结果对比

不同的填筑厚度，使路堤产生的沉降量不同，以下分别对20cm:、30cm、40cm和50cm等不同的分層厚度，进行模拟仿真计算，得出路堤在不同填筑高度时的沉降量，沉降与分层填筑厚度关系曲线于图4。

图4最终沉降与分层填土厚度关系

（1）路堤土体的压实度随分层填筑厚度增加而降低;

（2）高填方路堤的最终沉降随分层填筑厚度增加而增加;

（3）分层填筑厚度在20-30cm范围内增加，对路堤的最终沉降量影响不明显，分层填筑厚度超过30cm，沉降量急剧增加。

参考文献：

[1] 曾国熙，龚晓南.软土地基固结有限元法分析.浙江大学学报，1983，17(l):12-20

[2]刘汉清，曾国东，应荣华.老路加宽容许工后不均匀沉降指标研究.公路，2004(3):37-39

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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。