山区土石混合料全填方路堤应力形变特征分析

2013-09-05徐琨武

水电站设计 2013年1期

徐琨武

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川成都 610072)

1 前言

公路建设因地理环境不同，使得路堤取材有很大差异。在我国东部平原地区，路堤用料主要为细粒黏土;西部地区多山，路堤多用土石混合的粗粒土填筑。基于节省工程量和经济利益考虑，路堤需充分利用自然地理条件就地取材，在岩石地基上按要求分层填筑。为了充分揭示土石混填路堤在分层填筑过程中的沉降和水平形变位移、应力和破坏区的分布特征及其变化规律，本次研究从实际在建工程出发，通过大型三轴试验和必要的系列试验获取路堤填筑料的物理力学参数，在此基础上，开展了典型路堤断面形式有限元数值模拟分析研究，获得了对其应力形变场的认识。

2 路堤计算参数的确定

由于数值模拟必须获得准确的介质物理力学参数，着重是密度、变形特征和强度特征方面的参数，因此采用了大型三轴试验的手段。

2.1 试样

本次研究的路堤土石混合料是广泛分布于我国西南地区，特别是四川盆地及其周边地区的由中生界碎屑岩形成的无粘性粗粒土，颜色呈暗紫红色，形状极不规则呈棱角状，母岩岩性为浅紫红色钙泥质胶结细粒砂岩，偶见方解石脉。

试样配制采用相似级配法确定相似级配。对相似级配中的超粒径颗粒，按规程要求采用等质量代换法予以处理。试样试验级配特征值见表1。

表1 试样试验级配特征值

2.2 室内试验

按照JTJ051－93《公路土工试验规程》，对路堤土石混合料试样在不饱水、不固结和不排水情况下进行大三轴剪切试验。试样的试验条件及根据其在各级围压(100 kPa、150 kPa、200 kPa、250kPa)下莫尔应力圆强度外包线求得的强度参数(总应力法)见表2。Ei与μi为各级围压下得到的初始切线模量与初始泊松比的平均值。

表2 试样的试验条件和强度参数

2.3 有限元计算参数的确定

在进行有限元计算时，土石混填路堤采用邓肯—张非线性弹性模型，按照SL237－1999《土工试验规程》邓肯－张模型方法整理试验资料。为了更好地模拟工程实际情况，将路堤下部视为岩石地基，采用线弹性模型。计算采用的物理力学参数见表3。

表3 有限元计算模型物理力学参数

3 路堤的有限元计算分析

3.1 计算思路

有限元计算按平面应变问题考虑(即路堤断面的厚度取单宽厚度1m)。建立有限元计算模型时，坐标系原点定于路堤中心线最底处(见图1)。

计算模型位移边界条件:路堤边界为自由边界(对称断面加以适当的对称边界条件)，岩石地基两侧边界为法向约束，底部边界为固定支座约束。

进行单元离散时，为了比较真实地反映实际路堤施工中的逐层碾压的施工工序，在计算模型中路堤填筑按照0.3m一层进行分层模拟计算。路堤填料高度为20m，共分为67层。

荷载仅考虑自重作用。为了真实地反映路堤填筑过程中的位移和应力规律，在模拟分层填筑前，将岩石地基重力作用下产生的自重应力作为初始应力场，其形变场仅考虑后期路堤填筑过程的影响。

3.2 路堤的有限元计算分析

路堤断面形式见图1。坐标系见图中。

图1 全填路堤断面示意(m)

3.2.1 有限元计算模型

全填方路堤具有对称性，基底宽度为B=96m。离散的有限元计算网格示意见图2。计算模型共划分实体单元总数2 598个、节点总数2 705个，其边界条件为:

u、v分别代表水平位移和垂直位移。

3.2.2 计算结果分析

计算的路堤变形图以及垂直位移(沉降)uy、水平位移ux、最大主应力σ1、最小主应力σ2等值线图、最大剪应力τmax等值线图分别见图3～10。

图2 全填方路堤计算模型边界条件

图3 路堤变形

图4 路堤沉降uy等值线(m)

图5 路堤水平位移ux等值线(m)

图6 路堤表部各点沉降曲线

图7 路堤坡面各点水平位移曲线

图8 最大主压应力σ1等值线(kPa)

图9 最小主压应力(σ2)等值线(kPa)

图10 最大剪应力τmax等值线(kPa)

4 填筑过程中的应力形变场特征分析

4.1 位移形变场特征分析

从图3～7可以得到路堤形变场的如下特征规律:

(1)由图3可见，路堤位移总体趋势是从路面中心线向路堤斜坡临空方向逐渐偏转，且在路堤的中下部较大，在路堤高度约1/2的斜坡表部，外鼓现象较为显著。由于路堤下部的岩石地基变形参数较高，岩石地基的位移受路堤的影响相对很小，与填筑路堤位移相比，岩石地基的位移微小。

(2)由图4可见，路堤垂直位移(沉降)比较显著的部位，主要分布在路堤中心线(对称面)下部靠路堤高度约1/2的位置，最大沉降量约67 mm。受路堤的影响，岩石地基的最大垂直位移主要分布在路堤中心线(对称面)下部与岩石地基的交界面位置，最大沉降量约1.5mm，与路堤最大沉降量相比，岩石地基的垂直位移很小。

(3)由图5可见，路堤水平位移比较显著的部位，主要分布在路堤高度一半靠坡面附近位置，最大水平位移约为44mm。同样，受路堤的影响，岩石地基的最大水平位移主要分布在路堤与岩石地基的交界面靠路堤底面水平范围约1/2位置，最大水平位移量小于0.5mm，与路堤最大水平位移相比，岩石地基的水平位移很小。

(4)图6为路堤表面各点沿横向方向(x方向)的沉降量(垂直位移分量)分布图，路堤表面的最大沉降位于路堤中心线(对称线)位置，量值约 5.1 mm，路堤表面沉降比较显著的水平宽度约5m，从路堤表面中心线向两侧逐渐减小，在路堤表面边界附近的垂直位移降至约2.8 mm。

(5)图7为路堤坡面各点水平位移沿高度的分布图，路堤坡面各点向临空方向的最大水平位移约为38.25mm，位于路堤高度约一半附近位置。

4.2 应力场特征分析

从图8～10可以得到路堤形变场的如下特征规律:

(1)由图8(最大主应力等值线)和图9(最小主应力等值线)的应力分布特征可以看出，路堤内最大主应力和最小主应力从路堤表部向深部也呈现逐渐递增的变化特征。路堤内最大主应力的最大值约454kPa，位于路堤中心线的底部;路堤内最小主应力最大值约247kPa，仍位于路堤中心线的底部。上述特征表明位于路堤中心线的底部，最大主应力和最小主应力矢量都没有发生偏转。

(2)由图9可见，在路堤坡面处出现了不连续的很小范围的拉应力区，拉应力最大值约4.45kPa，方向和坡面基本垂直。路堤内部最大主应力由于是由路堤填筑体的自重应力引起的，受路堤设计断面地形条件的影响，在路堤坡面附近最大主应力附近逐渐偏转至与坡面平行;而最小主应力则主要受路堤自重应力侧压力效应的影响，在路堤表面及坡面附近基本为0(局部有较小的拉应力)。另外，由于路堤填筑体和岩石地基材料力学特性的差异，在岩石地基与路堤填筑体的交界面位置，最大主应力和最小主应力分布也呈现不连续变化的特征。

(3)由图10看出，路堤填筑体的最大剪应力为147kPa，位于岩石地基与路堤填筑体的交界面附近，且有一定的集中现象，但最大剪应力的集中程度不显著。计算结果还表明，路堤填筑体在分层填筑过程中，没有出现塑性剪切破坏。