高填方路基沉降变形影响因素模拟分析

牛小玲

(山西工程科技职业大学 工程管理学院 晋中市 030619)

0 引言

填方路基施工过程中，沉降是影响路基稳定性的关键性因素之一。自20世纪20年代太沙基一维固结理论问世以来，国内外路基沉降通常采用太沙基理论开展研究，但在复杂几何边界条件下该理论的应用受限，通常采用有限差分法分析[1]。而上述理论只适用于饱和土，是在假定土体处于饱和状态下开展研究的，而实际中很多土体并非饱和土，这就使太沙基理论的应用受到了很大限制[2]。近年来，有限元法得到了广泛的应用，国内外很多学者通过建立模型，对路基沉降进行了模拟计算分析，但往往只局限于一个方面[3-4]。为研究填方材料、填方高度、坡度、压实度对高填方路基沉降的影响，运用ANSYS软件建立模型模拟分析，计算得出不同情况下的路基沉降量，进一步分析得出路基的沉降变形规律。主要分析各类因素对路基沉降的影响，可以为高填方路基沉降变形控制提供参考，以便于制定措施进行防治，降低或减少由于路基沉降造成的病害。

1 模拟分析方法

为了研究填筑高度、路基边坡坡度、填料和压实度四个因素对高填方路基沉降的影响，结合相关高填方施工案例，采用ANSYS软件进行数值模拟分析[5]。通过软件计算得出不同类型高填方路基沉降变形量，分析得出高填方路基在各影响因素作用下的沉降变形规律。路基沉降沿道路中心呈对称分列，因此取半个路基作为分析对象，建立高填方路基模型如图1所示。

图1 高填方路基有限元模型

高填方路基土体单元分析采用plane42单元，由四个节点定义，每个节点有x、y两个方向的自由度。采用plane 42单元建立的路基二维模型，可以采用平面应变模式开展模拟分析。文章主要对路基的受力特性进行研究，通过模拟路基土体之间的相互作用构建路基土体结构。模型构建边界条件为：地基只在垂直方向上产生位移，侧面有水平约束；路基底部设计三个自由度，且三个方向上的位移均为零。考虑到路基的沉降量较大，地基的沉降量较小，划分网格时对路基进行了加密，因此地基网格划分相对较稀疏。

2 高填方路基沉降影响因素分析

2.1 填方高度对路基沉降影响分析

路基模拟分析选择某高速公路，路基设计宽度为24.5m，填方高度为8m以下时边坡坡度选1∶1.5，超过8m时上部边坡坡度为1∶1.75、下部为1∶1.5。地基上层为粘性土，厚度为20cm，下部为基岩，厚度为40cm，路基填料和地基的物理力学指标如表1所示。路基各填层压实度按《公路工程质量检验评定标准》(JTG F80/1—2017)中的相关规定控制。

表1 路基填料和地基物理力学指标

填方高度从2m以上开始进行模拟计算，不同高度路基沉降量计算结果如表2所示，绘制填方高度与路基沉降量关系曲线如图2所示。

表2 不同填方高度路基沉降量计算值

图2 路基填方高度与沉降关系曲线

结合表2计算结果和图2曲线变化趋势，随着路基填方高度的增加，路基总沉降量不断增加。这是由于填方高度越高，路基自重越大，路基所承受的荷载越大，路基和地基沉降量呈现非线性增加的趋势，而路基总沉降量呈现线性增加的趋势。通过数据拟合，得出路基总沉降量与路基填方高度之间的线性关系式为：S=0.024h+0.135。

另外，分析计算结果可以得出随着填方高度的增加，地基沉降量占总沉降量的比例越高，最大比例甚至超过了70%。在路基勘察设计阶段，应做好地基加固方案设计，提高地基承载力。另外，在道路选线时应尽可能减少路基填方高度，以降低路基自重，减少沉降。

2.2 坡度对路基沉降影响分析

路基边坡坡度取值由填料、边坡高度等决定，坡度不仅关系到路基的整体稳定性和经济性[6]，还会对路基沉降产生较大影响。结合工程经验和公路路基设计规范(JTG D30—2015)，选取路基边坡坡度为1∶1、1∶1.25、1∶1.5、1∶1.75、1∶2，并通过建立模型进行模拟计算，所选路基填料和地基物理力学指标如表3所示。

表3 路基填料和地基的物理力学指标

不同坡度路基总沉降量计算结果如图3所示。

图3 路基坡度与沉降关系曲线

分析图3所示曲线变化趋势，可以得出路基坡度越缓，路基沉降量越小，但总体差异不大。坡度为1∶1时，路基总沉降量为0.246m，而坡度变缓到1∶2时，总沉降量为0.231m，下降了0.015m，下降幅度较小。因此，路基坡度与路基沉降量之间没有明显的线性关系，且坡度对路基沉降量的影响较小。

2.3 填方材料对路基沉降影响分析

路基填料对高填方路基压实质量、沉降变形影响较大，应选取各方面技术指标满足《公路路基施工技术规范》(JTG/T 3610—2019)要求的材料。选取四种常用路基填料作为研究对象，其物理力学指标如表4所示。

表4 各类填料物理力学指标

各类路基填料路基沉降量、地基沉降量和总沉降量计算结果如表5所示，绘制路基总沉降量与填料容重关系曲线如图4所示。

表5 各类填料路基沉降量计算结果

图4 路基总沉降量与填料容重关系曲线

分析表5所列各类填料路基沉降计算结果，路基沉降量受填料自重影响较大。结合图4所示路基沉降量与填料容重关系曲线，路基沉降量随填料容重变大而增加。因此，选择容重比较小的轻质材料，可明显降低路基沉降。在相同填方高度的情况下，选取粉煤灰作为填料较粘性土可降低约9.3%的沉降，且使用粉煤灰还可以减少占用耕地。另外，采用粘性土填筑路基会破坏地表植被，对周边环境造成一定程度破坏。相较而言，磷石膏、EPS造价高，而粉煤灰价格便宜，废物利用还可以降低环境污染，具有较好的经济性。

2.4 压实度对路基沉降影响分析

压实度是高填方路基施工质量控制的关键，也可有效控制路基沉降变形。为了确定不同压实度路基沉降变形规律，选取低液限粘土作为研究对象，选取压实度为90%～98%，建立模型进行模拟分析，计算得出路基沉降变形如图5所示。

图5 路基压实度与沉降关系曲线

随着压实度的增加，路基总沉降量不断下降，且呈现线性关系。通过数据拟合，得出路基压实度与路基总沉降线形关系式为：S=-0.0028K+0.3353。当路基压实度为90%时，路基总沉降量为0.088m，达到98%时，路基总沉降量为0.067m，下降了23.8%，下降幅度较大。因此，提高压实度可明显降低路基沉降，说明压实度对路基沉降影响显著。

3 路基施工现场沉降监测验证分析

选择某高速公路高填方路基为研究对象，在施工现场5个不同深度布置应变计，对路基沉降进行监测。同时收集相关技术参数采用ANSYS软件建立模型计算路基总沉降量，监测与计算结果如表6所示。

表6 路基总沉降量现场监测与模拟计算结果

分析实测值与计算值，二者相差不大，偏差最大值在深度15m处为5.95%，最小值在深度3m处为1.46%。通过对比分析，计算值与理论值相差不大，考虑到监测过程中各类因素的影响，可认为虽然计算值略高于实测值，但总体准确率满足要求。

4 结论

为了分析不同因素对路基沉降的影响，采用ANSYS软件建立模型进行模拟计算，并结合现场实测数据进行对比分析，得出以下结论：

(1)随填方高度的增加，路基沉降量不断增加，且路基总沉降量与填方高度呈现线性关系。

(2)随着边坡坡度变缓，路基沉降量有所下降，但影响效果不明显。

(3)路基填料的自重对路基沉降影响最大，填料容重越低沉降量越小，综合考虑应优先选用粉煤灰作为路基填料。

(4)路基压实度由90%增加到98%，路基沉降变形下降了23.8%，说明提高压实度可有效降低路基沉降。

结合现场监测数据，可以得出虽然计算值略高于实测值，但总体偏差不大，说明模拟计算结果符合实际情况。