有限元方法分析高填方路堤压实度和经济性

李金珂 李增光

【摘 要】为了寻找高填方路堤在不同压实度下的沉降量特点以及沉降量与费用之间的关系，本文用有限元软件ANSYS对高填方路堤进行建模，对不同的压实度下的路堤沉降及压实功进行分析，得出了改变下层压实度比改变上层压实度有更好的经济效益等结论，对施工有指导意义。

【关键词】高填方路基；沉降；有限元；压实度

路堤在施工和运行期间，由于自固结和车辆荷载等因素，路面产生不同程度的沉降。高填方路堤堤身较高，填土自重引起沉降很大，严重影响行车的舒适与安全，甚至导致路面结构破坏。因此分析高填方路堤在不同情形下的沉降，对施工工艺选择有指导意义。本文利用有限元软件ANSYS，对路堤在不同压实度下的沉降进行数值分析，使沉降和经济性达到较理想的程度，为高填方路基的施工提供参考。

1.计算模型及土性参数

1.1几何模型

用 ANSYS建立有限元模型，采用solid45单元，选取路堤高度20m，路面宽度26m，变坡点上下高度分别为12m、8m，上部坡度1：1.5，下部为1：1.75，路堤纵向取1m，几何模型如图1。

图1 几何模型

压缩层有效宽度即路堤坡脚以外的宽度。压缩层有效宽度的确定，一般认为越大越精确，根据经验，压缩层有效宽度H根据填土的高度Ho来确定，认为H>3Ho即可，本文将压缩层有效宽度取为90m，满足上述要求[1]。

1.2定义路基材料

对几何模型赋予材料属性，地基土材料不变，材料属性如下：密度1.95g·cm-3，粘聚力30kPa，内摩擦角28°，弹性模量12MPa，泊松比0.35。路堤土按不同压实度对应的材料属性进行赋值，见表1。

表1 不同压实度粘质土的物理力学参数

1.3划分网格及约束

按三角形网格自动化分。整个路堤对垂直于面方向设置约束，底边水平竖直方向都设置约束，左右两侧对水平方向设置约束。

1.4加载求解

对整个区域施加重力，用牛顿-拉普森迭代进行求解。

2.基本假设

①土为各项同性连续介质体。

②路基表面自由且为透水透气边界。

③中心对称面各节点没有水平位移，模型左右边界水平方向位移为零，竖直方向允许发生位移，下边界任意方向位移为零。

④不考虑地基的沉降变形。

⑤路堤的沉降是自身重力产生的，不考虑车辆等荷载对沉降的影响。

3.土的本构模型

岩石、混凝土和土壤等材料都属于颗粒状材料，此类材料受压屈服强度远大于受拉屈服强度，在土力学中，常用的屈服准则为Drucker-Prager屈服准则，使用Drucker-Prage屈服准则的材料简称为DP材料。在岩石，土壤的有限元分析中，采用DP材料可得到较为准确的结果[4]。

4.计算过程与结果分析

4.1计算过程

在规范规定的压实度范围内，对上路堤和下路堤分别设定不同的压实度：上路堤压实度范围为94%～98%，下路堤为93%～98%，假设地基土已沉降完毕，在求解时通过生死单元求得地基自身沉降为3.1842m，路堤沉降为总沉降与地基沉降之差，将结果列于表2。

表格 2 不同压实度下路堤沉降量（m）

4.2结果分析

4.2.1分析不同压实度组合对沉降量的影响

下层压实度不变，改变上层压实度，计算沉降量减少的百分率，如图3。上层压实度不变，改变下层压实度，计算沉降量减少的百分率，如图4。

可以看出：（1）下层压实度不变，当上层压实度大于96%时，下沉量的减少百分率明显降低；（2）上层压实度不变，随着下层压实度增加沉降量减少百分率总体下降，当下层压实度大于94%而小于96%时沉降量减少能力有所提高。所以从施工角度，应充分重视下层压实度，填筑上层之前，充分压实下层，可以得到较小的沉降量。

4.2.2结合压实功分析经济效益

不同压实度下单位体积压实功参照文献[5]，计算出本模型体积在不同压实度下的压实功，选取下层压实度为93%，当改变上层压实度时对应击实功如表4所示：

表4下层压实度93%，上层压实度改变对应压实功

压实度越高，击实功越高，费用也越高，但可以减少沉降量，为了找到较为经济的压实度，认为减少单位沉降量对应增加的击实功越小，越为经济。以击实功差与沉降量差的比值作为指标i，i值越小越经济。例如：当下层压实度为93%，上层压实度从94%增加到95%对应i为53731765，以此类推。同理可得上层压实度为94%，下层压实度改变时对应的经济指标，见表5：

表5一层压实度不变，另一层改变时对应的经济指标i

可以看出：改变下层压实度比改变上层压实度具有更好的经济效益。

5.结语

（1）由4.2.1中结论（1）和（2）看出，沉降量随着压实度的增加而减小，沉降量的减少量也有随着压实度的增加越来越小的趋势。

（2）改变下层压实度比改变上层压实度具有更好的经济效益。

（3）从施工角度，应充分重视下层压实度，在填筑上层之前，充分压实下层，可以得到较小的沉降量和较好的经济效益。但是对如变形指标要求高的公路，压实度越高越好，防止因沉降过大引起病害。

【参考文献】

[1]吴俊，陈开圣，龙万学.高填方路基沉降变形有限元数值模拟[J].公路工程，2009，34（2）.

[2]李华，陈晨，李向群，压实度对高填方路基自身沉降影响的数值分析[J].铁道建筑，2010，（5）.

[3]王瑞甫.高填方路基沉降计算及预测方法研究[D].湖南：湖南大学硕士学位论文，2003.

[4]何本国.ANSYS 土木工程应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2011，10.

[5]王钊，胡海英，邹维列.路堤压实的影响因素和压实度要求[J].公路，2004，（8）.