拓宽公路路基变形与挡土墙受力特性有限元分析

芦 佳，郝宇萌，蒙超荣

拓宽公路路基变形与挡土墙受力特性有限元分析

芦 佳，郝宇萌，蒙超荣

(长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

采用Midas/GTS有限元软件，分析了山区陡坡段拓宽公路路基与挡土墙受力变形特性。结果表明，拓宽路基顶面沉降曲线呈“勺子”形，要重视新、老路基结合部位的处治以及挡墙与拓宽路基的拼接处理；不仅要控制拓宽路基工后沉降，还应控制新、老路基的差异沉降，防止其对路面结构造成破坏；挡土墙墙背上的土压力分布并非是理论上的线性分布，土压力大小介于静止土压力与主动土压力之间，挡墙土压力的分布及大小决定了挡墙的稳定状态；通过分析路基拓宽宽度和填料压缩模量等因素对路基和挡墙受力变形的影响，建议根据现场情况减小拓宽宽度，合理选择填筑材料。

山区陡坡段；有限元；拓宽路基；挡土墙；受力与变形特性

近年来，我国的交通运输事业发展迅速，推动了经济的快速增长，但有相当一部分公路年久失修，已不能适应交通量增长和社会发展的要求，迫切需要扩大道路通行能力，尤其是在山区陡坡地段，路基路面病害较多[1-3]且车道狭窄。山区陡坡地段的路线大多为一侧靠山，另一侧为河谷，故路基的拓宽工程多数利用部分原路基，采取单侧加宽的方式，并在加宽路基外侧设置支挡结构。拓宽路基由于新老路基修建历史、填料和压实度的差异，新老路基顶面将产生横向不均匀沉降，傅珍[4-5]、蒋洋[6]对高速公路拓宽工程不同因素对路基差异沉降的影响进行了研究。新路基外侧的刚性挡土墙在填土压力作用下产生位移变形，挡墙的位移模式决定了墙背土压力的分布以及大小，Mohammad H K[7]给出了水平土压力强度、合力大小及作用点高度的近似解；王闫超[8]针对无黏性土的有限土体土压力问题，采用薄层单元法推导出解析公式；陈页开[9]、卢坤林[10]、彭述权[11]分析了挡土墙的不同变位模式对土压力大小和分布的影响；陈奕柏[12]、娄培杰[13]研究了非极限主动土压力的变化规律。采用数值模拟的方法对挡墙受力与路基变形机理进行研究和分析，可以为路基的设计和施工提供科学的参考依据；刘巍巍[14]、唐朝生[15]运用有限元软件对新老路基拼接中所产生的差异沉降问题进行了数值模拟；万智[16]采用数值计算方法，分析了山区拓宽改造公路挡土墙路基的受力与变形特征。

本文利用数值模拟计算手段分析了山区陡坡段拓宽路基的基本特性，以及拓宽宽度和填料压缩模量等因素对拓宽路基变形与挡墙受力的影响，为设计与施工提供参考。

1 拓宽公路路基和挡土墙受力与变形的有限元计算

1.1计算模型的基本假定

(1)路基有足够的长度，其受力状态为典型的平面应变问题，故采用二维有限元模型。

(2)老路基的固结变形已经基本完成，主要考虑施工阶段对路基和挡墙的影响。

(3)老路基、新路基以及山体采用Mohr-Coulomb弹塑性本构模型，天然地基和挡土墙采用理想弹性本构模型。

(4)边界条件：模型下端设置水平向约束和竖向约束，模型两侧设置水平向约束。

(5)仅考虑新路基填筑高度范围内挡墙的土压力。

1.2计算模型的建立

本文采用有限元软件Midas/GTS进行数值模拟。几何参数：老路基顶面宽度8 m，外侧边坡倾角为60°，路基拓宽4 m，老路利用宽度6 m；拓宽路基外侧设置仰斜式路肩挡墙，墙高5 m，墙顶宽1.15 m，墙背及墙面坡比1∶0.25，天然地基为岩石地基，查阅规范[17]，取基础埋深1 m，左侧边界取至离新老路基顶面结合部17.7 m，右侧边界取至离新老路基顶面结合部19 m，底边界取至离路基底面15 m，具体尺寸及有限元网格划分见图1，按参考文献[16]确定有限元各材料计算参数见表1。

图1 计算模型及有限元网格划分

表1 有限元模型材料参数

模型计算过程：

(1)钝化新路基和挡墙单元，对老路基、山体及地基施加重力，获得三者在重力作用下的位移场。

(2)对上步产生的位移场做位移清零，仅考虑施工阶段产生的位移场。

(3)激活新路基和挡墙单元，并施加重力，获得施工结束后的竖向位移场及水平向应力场，见图2、图3。

(4)提取施工结束后路基顶面沉降数据和墙背土压力数据，见图4、图5。

图2施工结束后的竖向位移场图3施工结束后的水平向应力场

图4施工结束后路基、挡墙顶面沉降曲线图5施工结束后墙背土压力

2 山区陡坡段拓宽公路路基与挡土墙稳定性分析

2.1基本特征分析

由图4可以看出，拓宽路基顶面中部一定范围内的沉降量最大，新、老路基交界位置以及新路基与挡墙结合部位曲线突变较为明显，路基顶面沉降曲线呈“勺子”形。

在山区陡坡段公路拓宽工程中，要重视新、老路基结合部位的处理，防止因产生较大的沉降差异而造成路面结构的破坏，同时还要注意挡墙与拓宽路基的拼接处理，保证挡墙及拓宽路基的稳定性。

由图5可知，施工结束后墙背上的土压力分布并非是理论上的线性分布，其大小及分布受土体性质、挡土结构类型及其位移等诸多因素影响。施工结束后墙背土压力的大小介于静止土压力与主动土压力之间，说明挡墙在填土压力作用下，背离填土方向移动，墙背上半部分土体较为接近主动极限平衡状态。

2.2不同工况下路基与挡土墙稳定性规律研究

为研究山区陡坡段拓宽公路新老路基差异沉降及挡墙的受力规律，利用上述数值计算方法进行单因素控制数值模拟分析，试验方案为：

(1)不同拓宽宽度对路基和挡墙的受力与变形的影响。

拓宽宽度：2 m、3 m、4 m、5 m、6 m。

(2)回填土体不同压缩模量对路基和挡墙的受力与变形的影响。

压缩模量：5 MPa、10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa。

2.2.1 不同拓宽宽度的影响

从图6可以看出，随着拓宽宽度的增加，新路基顶面的沉降量逐渐增大，最大沉降点位置逐渐外移，老路基顶面沉降量变化较小，新老路基的差异沉降逐渐增大，挡墙与新路基的差异沉降逐渐增大。由图7可知，随着拓宽宽度的增加，土压力的分布发生了较大的变化，由上小下大的凹形抛物线逐渐变为一条趋近于直线的折线，接近于理论上的线性分布。

由以上分析可知，拓宽宽度对新老路基顶面的差异沉降及墙背土压力分布的影响较为明显。拓宽宽度的增加使得路基顶面差异沉降增大；挡墙受力特性向不利的方面发展，在拓宽6 m的情况下，墙顶压力较大，墙背中部一定范围的土体达到甚至超过了主动极限平衡状态，在拓宽2 m的情况下，墙背各点土压力基本呈线性分布，介于主动土压力与静止土压力之间。

图6不同拓宽宽度路基、挡墙顶面沉降曲线图7不同拓宽宽度墙背土压力

2.2.2 回填土体不同压缩模量的影响

由图8可以看出，随着新路基压缩模量的减小，新路基顶面沉降曲线的下降幅度逐渐增大，特别是压缩模量在20 MPa以下，曲线的突变尤为明显，突变点位于新老路基顶面结合部以及挡墙与新路基结合部，老路基顶面沉降量变化较小，新老结合部的沉降量变化与挡墙顶面的沉降量变化基本相同。从图9可以看出，随着压缩模量的增大，墙身顶部土压力减小，下部土压力曲线向右弯曲，土压力合力逐渐增大，合力作用点逐渐下移。

由以上分析可知，随着新路基压缩模量的增大，路基顶面变形特性和挡墙受力与变形向着有利于路基稳定的方向发展，当新路基压缩模量超过某一值时，这种变化产生的影响相对减小。

图8新路基不同压缩模量下路基、挡墙顶面沉降曲线图9新路基不同压缩模量下墙背土压力

3 结论

本文通过有限元软件对山区陡坡段拓宽公路路基与挡土墙稳定性进行分析，得到以下结论：

(1)拓宽路基顶面沉降曲线呈“勺子”形，最大沉降发生在拓宽路基顶面中部一定范围内。要重视新、老路基结合部位的处理，同时还要注意挡墙与拓宽路基的拼接处理。

(2)挡土墙墙背上的土压力分布并非是理论上的线性分布，土压力大小介于静止土压力与主动土压力之间。

(3)拓宽宽度的增加使得新、老路基顶面差异沉降增大，且挡墙受力特性向不利的方面发展。

(4)随着新路基压缩模量的增大，路基顶面变形特性和挡墙受力特性向着有利于路基稳定的方向发展，当新路基压缩模量超过某一值时，这种变化产生的影响减小，要合理确定填料压缩模量范围。

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Finiteelementanalysisofwideningsubgradeandstresscharacteristicsofretainingwall

LU Jia,HAO Yu-meng,MENG Chao-rong

(SchoolofHighway,Chang'anUniversity,Xi'an710064,China)

Based on the finite element software Midas/GTS,the stress and deformation characteristics of subgrade and retaining wall in the steep slope of mountainous area are analyzed.The results show that the settlement curve of the top surface of the subgrade is in the shape of a spoon,pay attention to the new and old base combination treatment and splicing treatment of retaining wall and widening subgrade，in addition to controlling the settlement of the subgrade,the differential settlement of the new and old roadbed should be controlled to prevent the damage of the pavement structure.The distribution of earth pressure on the retaining wall is not a theoretical linear distribution,the earth pressure on the wall back of retaining wall is between the static earth pressure and the active earth pressure,the distribution and size of earth pressure on retaining wall determine the stability of retaining wall.Based on the analysis of the stress and deformation of the subgrade and retaining wall under the influence of subgrade widening width and compression modulus of the filler,it is suggested that the width should be reduced according to the situation,and the filling material should be selected reasonably.

steep slope section of mountainous area; finite element; widening subgrade; retaining wall; stress and deformation characteristics

2016-04-06

芦 佳(1991—)，男，河南三门峡人，硕士研究生。

1674-7046(2017)03-0019-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.03.005

U416.1

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