基于Abaqus的高速公路路基沉降分析

高 山

(广西新发展交通集团有限公司,广西 南宁 530022)

高速公路作为现代经济社会发展的重要基础设施,是建设现代化交通的重要基础。高速公路路基在铺筑期间以及长期的行车荷载作用下,会发生路基沉降,致使路基产生附加应力,进而加速路面结构的破坏[1-4]。因此,研究路基沉降问题,对我国耐久性路面结构的设计及使用具有重要意义。

目前,我国的道路研究者已采用有限元分析法或者现场观测等手段对高速公路路基沉降问题进行了相关研究。樊振[5]综述了路基沉降机理及监测方法,并利用Abaqus有限元建立路基沉降模型,研究发现路基压实度、填方高度及填筑厚度对路基沉降具有显著影响。王锐等[6]采用Abaqus软件对高纬度多年冻土地区进行温度场沉降分析,研究发现,随着填筑高度的增加,冻土沉降变形逐渐增大。张相凯[7]建立了软土地区路基沉降有限元模型,研究了路基填筑高度、路基土重度以及不同路面宽度时的工后路基不均匀沉降,并基于简化的路面结构沉降模型,计算了路基沉降产生的附加应力。周禹[8]采用Ansys有限元软件建立了高填方路基沉降模型,研究发现基于不同土质类型、填筑高度以及不同施工工艺下的路基沉降变形规律与室内离心模型试验得到的规律一致。孙孝谦[9]基于数值模拟软件对成都地区塑料排水板及碎石桩路基处治技术进行路基沉降分析,研究发现两种处治技术均能有效控制软土路基沉降变形。杨锦凤与周浪峰[10]应用FLAC 3D软件对高填方路基沉降进行模拟,研究发现,在填挖交界处采用土工格栅铺筑以及采取增强补压措施增大路基压实度均能有效减少路基的工后沉降。

1 计算模型与参数设置

1.1 平面模型及材料参数

为了准确模拟路基堆载沉降过程,在仿真分析时,采用高速公路的模型,路基的模型是关于中心轴对称的,为了简便建模分析过程,因此取半个路基进行分析。路基顶面宽17.25 m,边坡取1∶1.5。地基水平方向取60 m,高度取20 m,以消除地基水平边界条件的影响。地基填料为粉土,路基填料为低液限黏土和3%水泥改良低液限黏土。路基分级填筑加载过程,分四层填筑,填筑高度为6.8 m,前三层低液限黏土每层填筑高度为2 m,第四层3%水泥改良低液限黏土填筑高度为0.8 m。路基与地基土材料参数见表1。

表1 路基与地基土材料参数

1.2 荷载及边界条件

设定荷载以及边界条件,约束模型左侧水平位移与转角位移(U1 与UR3设置为0)右侧只约束水平位移,固定模型底边所有位移(U1、U2与UR3均设置为0)。假定地下水位位于地基表面,地应力平衡分析步开始之前将地基表面孔压边界设为0,土体侧向为不排水边界,孔隙比不随深度的变化而变化,施工填筑期路基填土载荷以体力形式施加,工后15年沉降荷载为在路基表面设置向下的0.5 MPa的均布荷载。分析过程打开几何非线性,采用完全牛顿求解准则进行求解。

2 路基施工填筑期分级堆载模拟结果

2.1 孔隙水压力变化规律

路基分层填筑期孔隙水压力变化结果如图1所示。

图1 填筑期孔隙水压力变化云图

从图1中可以看出:各个阶段最大孔压值均出现在路基中线以下地基底部,其原因为地基底部受到的压缩作用较大,且该处距离地基表面最远,孔隙水压力很难通过上部排水边界消散;各个阶段孔压值均不一样,填土2 m完毕最大孔压13.71 kPa,填土2 m固结后最大孔压1.34 kPa。填土完毕最大孔压4.19 kPa,填土完毕固结后最大孔压0.39 kPa。

孔压变化随路基填筑的增加和间歇呈现减小趋势,孔压最大值出现在填筑第一层土完毕时刻,其原因为填筑开始后对地基产生的附加应力增大,当超过一定的临界高度时,路基土最上层土体产生的附加应力经下部路堤土体扩散后,传到地基上的附加应力变小,孔隙水压力也开始变小。施工完成后地基孔压高压区范围逐渐减小且有向右水平移动趋势,其原因可能为:路堤填筑期的地基底部产生高孔压区孔隙水随时间增长产生竖向与水平向渗透流动,高孔压区孔压逐渐减小,低孔压区孔压产生一定程度增大。

2.2 水平位移变化规律

从分层填筑期水平位移变化结果图中可以看出:填筑期水平位移最大值均发生于路基边坡下面的地基中部附近,水平位移最小值发生于路基顶部边缘一定范围内。各个阶段水平位移最大值均不一样,填土2 m完毕最大水平位移0.6 cm,填土2 m固结后最大水平位移0.5 cm。填土6.8 m完毕最大水平位移1.74 cm,填土完毕固结后最大水平位移1.72 cm。

水平位移随着填筑高度的增加而增大,且每层填筑完毕后的固结期会略微减小。因此,对于高填方路基,为了保证路基的稳定性,需要对地基进行相应处理,如换填法、排水固结法、加筋、深层密实等。

2.3 竖向沉降变化规律

从分层填筑期沉降变化规律图可以看出:对于6.8 m的填筑期,填筑完毕最大沉降并不是发生在填土表面,而是发生在填土中下部,也就是填土高度4 m左右。这是因为随着填筑高度的增加,路基中下部受到的荷载逐渐增大,且路基表面为3%水泥改良低液限黏土,其模量较大。各个阶段沉降最大值均不一样,填土2 m完毕最大沉降2.27 cm,填土2 m固结后最大沉降2.74 cm。填土6.8 m完毕最大沉降9.81 cm,填土完毕固结后最大沉降9.94 cm。

填筑前期沉降值较大,填筑后期沉降增长值逐渐减小。沉降由两部分构成,即路基沉降与地基沉降,其中路基沉降占绝大部分,地基最大沉降量均发生于地基表面中点处,沿宽度、深度方向沉降逐渐减小,即中心沉降最大,两侧沉降小,近似为“沉降盆”形。

3 工后沉降有限元预测

3.1 水平位移变化预测

在Abaqus有限元模型路基表面设置向下的0.5 MPa的均布荷载(设置在路基填筑施工完成之后)来预测路基工后15年沉降,水平位移预测结果如图2所示。

图2 工后水平位移变化云图

从图2中可以看出:工后水平位移最大值均发生于路基边坡下面的地基中部附近,水平位移最小值发生于路基顶部边缘一定范围内。各个阶段水平位移最大值均不一样。填筑完成时最大水平位移1.74 cm,施工完成时最大水平位移1.717 cm,工后5年最大水平位移1.719 cm,工后15年最大水平位移1.723 cm。水平位移大多发生于路基填筑期和施工期,工后15年水平位移变化幅度较小,原因为地基土体孔压基本消散完毕,土体固结稳定。

3.2 沉降变化预测

可以看出:对于6.8 m的填筑期及工后期沉降,最大沉降并不是发生在填土表面,而是发生在填土中下部,也就是填土高度5 m左右。这是因为随着填筑高度的增加,路基中下部受到的荷载逐渐增大,且路基表面为3%水泥改良低液限黏土,其模量较大。各个阶段沉降最大值均不一样,填土完成最大沉降9.8 cm,施工完成最大沉降9.94 cm。工后5年最大沉降9.953 cm,工后15年最大沉降9.977 cm。

将路基施工固结完成至工后1年、工后5年、工后10年以及工后15年的路基顶面沉降值绘制沉降曲线,如图3所示。

图3 路基顶面工后沉降曲线

可以看出,路基顶面的工后沉降曲线呈现“弯型盆”状,路堤中心线处的沉降值最大,从路堤中心线向外至路堤边缘,沉降值不断减小。随着工后时间的增长,沉降值逐渐增加,但增长变化量不是很大,工后15年路基顶面的沉降值达到最大,此时的路堤中心处路基顶面沉降值为1.56 cm,路堤边缘处的路基顶面沉降值为0.92 cm,差异沉降为0.64 cm。

4 结 论

(1)从路基施工填筑期分级堆载数值模拟结果来看,孔隙水压力随路基填筑高度的增加呈现逐渐减小趋势,第一层土填筑完毕时孔隙水压力值最高。

(2)分层填筑期水平位移最大值于路基边坡下面的地基中部附近,最小值于路基顶部边缘一定范围内。竖向位移最大值发生在填土中下部的低液限黏土区。

(3)基于工后15年沉降有限元预测结果,沉降值随工后时间的增加逐渐趋于稳定,工后1年左右,地基孔隙水压力基本消散完毕,反映出来的是沉降基本不再变化。路基顶面的不均匀沉降曲线呈现“弯型盆”状,即中线处沉降最大,两侧边缘沉降最小。