高填方路堤沉降变形规律的有限元分析★

张立军 侯亚玲

(1.山西中方森特建筑工程设计研究院，山西 太原 030002； 2.太原理工大学建筑与土木工程学院，山西 太原 030024)



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高填方路堤沉降变形规律的有限元分析★

张立军1侯亚玲2

(1.山西中方森特建筑工程设计研究院，山西 太原 030002； 2.太原理工大学建筑与土木工程学院，山西 太原 030024)

应用大型有限元分析软件ABAQUS，模拟了高填方路堤的施工过程，并建立了高填方路堤模型，分析了黄土填料高填方路堤的沉降变形规律，得出了一些结论，为高填方路基的设计修建及其沉降控制提供了依据。

高填方路堤，黄土，有限元分析，沉降变形

0 引言

自从1966年以来，伍德沃德和克拉夫在研究土坝的受力变形情况时首次运用有限元模拟计算法，使得有限元计算分析法在以后的岩土工程中不断应用，对实际工程中的问题分析非常方便，也为工程带来了极大经济效益。有限元法被国内外广泛应用，利用有限元可以结合土的变形特性描述土体应力—应变关系的模型，可以把土的变形特性看作非线弹性、弹塑性、非均质性[1-4]等模型。利用有限元可以考虑土体复杂的本构关系，可以模拟施工现场填方土体逐级加荷的过程，能考虑土体的侧向变形以及复杂的边界条件，将力学、数学和计算机三方面的知识相结合，就是由于该方法的灵活、快捷和有效性，使其在工程实际应用中快速发展，成为岩土工程领域中一种常用且最有效的分析计算方法[5]。

国外学者B.Indraratna[6]利用有限元的方法对路基建立了模型，进行了沉降计算，与实测沉降相比，发现二者计算结果差距不大，验证了有限元法可以应用在路基沉降计算中。於永和[7]针对高填方路堤的特点，运用ANSYS软件，对高填方路堤填土施工过程进行分层模拟，考虑了材料的非线性特性，分析了高填方路堤的沉降变形规律，探讨了沉降与变形模量、压实度的关系。数值分析计算了路堤自重作用下的变形，且符合实际高填方工程所测的沉降量，说明了本文计算所选取模型较符合高填方的工程性质，有限元模拟分析法也能较好地模拟出高填方路堤实际施工过程。逢成万[8]通过有限元数值模拟分析了高填方路堤填筑过程中路堤的竖向位移、水平位移及应力场，与实际工程中的受力变形相接近，为高填方路堤的沉降变形规律分析与计算提供了重要的参考依据，可以客观地反映其受力变形特征。梁莉[9]运用了ANSYS有限元软件，对万州五桥机场高填方路堤进行模拟，分析了填方高度对沉降量的影响且计算了沉降量，将有限元计算值与实测值进行了分析比较，表明运用有限元计算方法能更好的反映高填方路堤的沉降变形规律，且沉降规律性更明显。本文主要应用大型有限元分析软件ABAQUS对高填方路堤的施工过程进行了模拟，建立了高填方路堤模型，分析了高填方路堤的沉降变形规律。

1 工程简介

本高填方路堤工程位于山西省黄土地区，高填方所属具体地貌为黄土丘陵区，所处地形为南低北高，东西向丛沟发育，地形起伏较大，形成多处“V”“U”字形冲沟，断面地形如图1所示。该高填方工程的主要路段全长约300 m，其中断面为29 m深处，是最大填土高度处。考虑就近选择填料的特点，本工程选取以黄土为主要填料来修建。该路堤的填筑方法为垫层强夯法。

2 路堤模型的建立

本模型选取高填方路堤填土高度为30 m的断面进行模拟分析，将实际工程简化为一个有限元计算模型。本文采用大型商用有限元模拟软件ABAQUS对该工程进行了二维有限元数值分析，填土高为29 m，坡比为1∶1.5，路堤顶宽度为32 m。在用有限元模拟进行分析时，为准确地模拟路堤施工过程，按照施工顺序，将路堤根据其填土深度共划分成10层，每层按照高为3 m进行单元划分。由于只研究填方体的自身压缩变形，路堤地基的沉降变形不考虑，路堤底部则采用固定边界条件，其余均为自由边界。根据路堤填土本身的非弹性和非线性的特点，土体变形选用弹塑性模型。路堤填筑料的应力应变关系采用摩尔—库仑[10]屈服准则，通过大量的实际工程也证明，摩尔—库仑模型简单实用，计算可靠，贴近实际工程情况，因此，在岩土工程界广泛应用。路堤分层情况见图2。

该摩尔—库仑模型总共具有五个参数，为了克服用有限元法计算路堤沉降中土体模型参数选取上的困难，本文主要以实际工程为依托，根据现场地质勘察及室内试验来确定土体的各项参数。为真实反映黄土填料压缩模量随填土深度的变化情况，填料的密度和弹性模量分别按照固结压缩试验取值，模拟路堤所需的其他各项力学参数，结合相似填料的三轴试验数据，按表1取值[11-13]。

3 有限元分析基本假定

表1 黄土力学参数

对于实际的高填方路堤工程来说，由于其影响因素众多，路堤在施工过程中的实际受力状况是相当复杂的，为了可以考虑到对路堤的主要影响因素，更好的模拟出填方体的受力过程，并能方便的分析填方体沉降变形规律和计算高路堤自身变形，本文提出以下假定[14]：

1)黄土填料为理想弹塑性体。2)不考虑时间影响，每层土体是一次性填筑，填筑时间对路堤沉降不产生影响。3)忽略土体孔隙水压力和固结过程对填方体变形的影响。4)在填筑体的作用下，只考虑路堤的自身压缩变形，不考虑地基的变形，其模拟的变形结果主要是由填方体引起的。5)忽略行车荷载，主要研究填筑体料自重作用下产生的变形。

4 分层模拟施工步骤

高填方路堤在实际施工过程中是分层填筑，需填料的压实度达到要求之后，再进行下一级的填筑，依次从下到上填筑并压实。也就是说在填第①层土时，第②,③层以上土层还未施加，是不存在的。因此，在模拟分析过程中，我们在模拟填土分层加载时需用到单元生死功能。在ABAQUS有限元软件中，可以通过模型改变(MODEL CHANGE)来实现这个过程。

具体步骤：

1)首先，建立一个二维的高填方路堤模型，按3 m高进行单元划分，在加载开始前，共建立十个分析步，其次，在inp文件中编辑*MODEL CHANGE,REMOVE语句，将所有分层单元移除，可以看作这些单元不存在，使ABAQUS在后续计算中不考虑整个单元。之后就可以在各分层填土荷载步中，编辑*MODEL CHANGE,ADD语句使其可以逐一加载，激活各层土单元，且考虑重力荷载。

2)为了将复杂问题简单化,将其用四边形进行网格划分，形成离散体结构，网格划分图如图3所示。

3)提交任务以后，进入Visualization后处理模块，求得路堤在各层填土荷载作用下的位移和应力[15]以及其变形云图，从而分析路堤在填土荷载作用下的沉降及其发展规律。其中竖向位移就是所要求的路堤自身压缩变形量。

5 模拟结果及分析

通过模拟分析得到路堤的竖向变形云图和水平变形云图分别如图4，图5所示。

5.1 竖向位移云图

图4为模拟路堤的竖向变形云图。由图中可以看出，路面正下方土层的竖向沉降在路堤中央处最大，在靠近路堤边缘处略微偏小。最大竖向沉降变形不是发生在填筑体的顶部，而是发生在距路堤底部中心1/3～1/2位置处。在同一高度处，路堤两侧土体的竖向沉降值小于路堤中央处沉降值，且近似呈“凹”形。因此，在路堤施工时应注意观测沉降变形大处的位置，避免路堤发生不均匀沉降。

5.2 水平位移云图

图5为模拟路堤的侧向位移变形云图。由图中可以看出，由于路堤是左右对称的，且只受填土荷载作用，因而路堤在填土完成时的边坡侧向变形也是左右对称的。路堤边坡的侧向位移变形规律为：沿着路堤填土高度方向，侧向位移呈近似“抛物线”变化的形式，且在靠近路堤边坡距底部1/3～1/2位置处，路堤的侧向位移值达到最大，在底部和顶部位置相对较小。在同一路堤高度处，边坡处的水平变形大于路面正下方土体的。

5.3 影响高填方路堤的沉降变形结果分析

影响高填方路堤的沉降变形结果精度的可能原因有很多，主要可以归纳为以下几方面：1)边界条件及范围。在考虑路堤自重作用下的竖向变形时，边界范围决定单元数的数量，所以边界范围也会影响计算的结果。2)网格划分疏密。网格不合适也会影响路堤沉降计算的精度，单元网格划分过密会使计算结果不收敛，难以达到其精度。3)填料参数。还有填料的计算参数选取也会影响变形的计算结果，本文采用的填料的物理力学参数来自室内试验和类似的工程经验，与实际工程情况并不是完全相符。

6 结语

本文通过对整个高填方路堤建立有限元模型，采用摩尔—库仑模型以及施工分层模拟的方法，分析了高填方路堤的沉降规律。具体结论如下：

1)经模拟、分析得出路堤的沉降变形规律为：在同一高度处，竖向变形在路堤中心处变形量最大，两侧变形量相对较小，且近似呈“凹”形，侧向位移呈近似“抛物线”变化的形式。

2)路堤的最大竖向变形和侧向变形分别位于距路堤底部中心1/3～1/2位置处、靠近路堤边坡距底部1/3～1/2高度位置处。

3)通过以上的模拟分析结果，说明有限元模拟法也可以应用在实际工程中。不仅可以用来分析高填方路堤的竖向变形规律及水平变形规律，还可以模拟路堤的实际应力分布情况，能更加清楚的反映其受力变形特征，客观了解整个路堤各土层的沉降变形规律。准确地模拟了路堤施工过程以及黄土填料压缩模量随填土深度的变化情况，对于指导高填方路基的设计与修建及其控制沉降具有重要的参考价值。

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Finite element analysis of laws of high fill embankment settlement deformation★

Zhang Lijun1Hou Yaling2

(1.ShanxiCentreArchitecturalEngineeringDesign&ResearchInstitute(GradeA),Taiyuan030002,China；2.SchoolofArchitectureandCivilEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China)

Using large-scale finite element analysis software ABAQUS simulates the construction process of high fill embankment, high fill embankment model is established. The settlement of high embankment deformation law are analyzed, draw some conclusions, provided basis for the design construction and its settlement control of high fill sub-grade.

high fill embankment, loess, finite element analysis, settlement deformation

1009-6825(2016)22-0131-03

2016-05-23★:北京市政建设集团有限责任公司资助项目

张立军(1970- )，男，高级工程师； 侯亚玲(1991- )，女，在读硕士

U416.1

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