有限元方法分析高填方路堤壓實度和經(jīng)濟性

李金珂 李增光

【摘 要】為了尋找高填方路堤在不同壓實度下的沉降量特點以及沉降量與費用之間的關(guān)系，本文用有限元軟件ANSYS對高填方路堤進行建模，對不同的壓實度下的路堤沉降及壓實功進行分析，得出了改變下層壓實度比改變上層壓實度有更好的經(jīng)濟效益等結(jié)論，對施工有指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】高填方路基；沉降；有限元；壓實度

路堤在施工和運行期間，由于自固結(jié)和車輛荷載等因素，路面產(chǎn)生不同程度的沉降。高填方路堤堤身較高，填土自重引起沉降很大，嚴重影響行車的舒適與安全，甚至導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)破壞。因此分析高填方路堤在不同情形下的沉降，對施工工藝選擇有指導(dǎo)意義。本文利用有限元軟件ANSYS，對路堤在不同壓實度下的沉降進行數(shù)值分析，使沉降和經(jīng)濟性達到較理想的程度，為高填方路基的施工提供參考。

1.計算模型及土性參數(shù)

1.1幾何模型

用 ANSYS建立有限元模型，采用solid45單元，選取路堤高度20m，路面寬度26m，變坡點上下高度分別為12m、8m，上部坡度1：1.5，下部為1：1.75，路堤縱向取1m，幾何模型如圖1。

圖1 幾何模型

壓縮層有效寬度即路堤坡腳以外的寬度。壓縮層有效寬度的確定，一般認為越大越精確，根據(jù)經(jīng)驗，壓縮層有效寬度H根據(jù)填土的高度Ho來確定，認為H>3Ho即可，本文將壓縮層有效寬度取為90m，滿足上述要求[1]。

1.2定義路基材料

對幾何模型賦予材料屬性，地基土材料不變，材料屬性如下：密度1.95g·cm-3，粘聚力30kPa，內(nèi)摩擦角28°，彈性模量12MPa，泊松比0.35。路堤土按不同壓實度對應(yīng)的材料屬性進行賦值，見表1。

表1 不同壓實度粘質(zhì)土的物理力學(xué)參數(shù)

1.3劃分網(wǎng)格及約束

按三角形網(wǎng)格自動化分。整個路堤對垂直于面方向設(shè)置約束，底邊水平豎直方向都設(shè)置約束，左右兩側(cè)對水平方向設(shè)置約束。

1.4加載求解

對整個區(qū)域施加重力，用牛頓-拉普森迭代進行求解。

2.基本假設(shè)

①土為各項同性連續(xù)介質(zhì)體。

②路基表面自由且為透水透氣邊界。

③中心對稱面各節(jié)點沒有水平位移，模型左右邊界水平方向位移為零，豎直方向允許發(fā)生位移，下邊界任意方向位移為零。

④不考慮地基的沉降變形。

⑤路堤的沉降是自身重力產(chǎn)生的，不考慮車輛等荷載對沉降的影響。

3.土的本構(gòu)模型

巖石、混凝土和土壤等材料都屬于顆粒狀材料，此類材料受壓屈服強度遠大于受拉屈服強度，在土力學(xué)中，常用的屈服準則為Drucker-Prager屈服準則，使用Drucker-Prage屈服準則的材料簡稱為DP材料。在巖石，土壤的有限元分析中，采用DP材料可得到較為準確的結(jié)果[4]。

4.計算過程與結(jié)果分析

4.1計算過程

在規(guī)范規(guī)定的壓實度范圍內(nèi)，對上路堤和下路堤分別設(shè)定不同的壓實度：上路堤壓實度范圍為94%～98%，下路堤為93%～98%，假設(shè)地基土已沉降完畢，在求解時通過生死單元求得地基自身沉降為3.1842m，路堤沉降為總沉降與地基沉降之差，將結(jié)果列于表2。

表格 2 不同壓實度下路堤沉降量（m）

4.2結(jié)果分析

4.2.1分析不同壓實度組合對沉降量的影響

下層壓實度不變，改變上層壓實度，計算沉降量減少的百分率，如圖3。上層壓實度不變，改變下層壓實度，計算沉降量減少的百分率，如圖4。

可以看出：（1）下層壓實度不變，當上層壓實度大于96%時，下沉量的減少百分率明顯降低；（2）上層壓實度不變，隨著下層壓實度增加沉降量減少百分率總體下降，當下層壓實度大于94%而小于96%時沉降量減少能力有所提高。所以從施工角度，應(yīng)充分重視下層壓實度，填筑上層之前，充分壓實下層，可以得到較小的沉降量。

4.2.2結(jié)合壓實功分析經(jīng)濟效益

不同壓實度下單位體積壓實功參照文獻[5]，計算出本模型體積在不同壓實度下的壓實功，選取下層壓實度為93%，當改變上層壓實度時對應(yīng)擊實功如表4所示：

表4下層壓實度93%，上層壓實度改變對應(yīng)壓實功

壓實度越高，擊實功越高，費用也越高，但可以減少沉降量，為了找到較為經(jīng)濟的壓實度，認為減少單位沉降量對應(yīng)增加的擊實功越小，越為經(jīng)濟。以擊實功差與沉降量差的比值作為指標i，i值越小越經(jīng)濟。例如：當下層壓實度為93%，上層壓實度從94%增加到95%對應(yīng)i為53731765，以此類推。同理可得上層壓實度為94%，下層壓實度改變時對應(yīng)的經(jīng)濟指標，見表5：

表5一層壓實度不變，另一層改變時對應(yīng)的經(jīng)濟指標i

可以看出：改變下層壓實度比改變上層壓實度具有更好的經(jīng)濟效益。

5.結(jié)語

（1）由4.2.1中結(jié)論（1）和（2）看出，沉降量隨著壓實度的增加而減小，沉降量的減少量也有隨著壓實度的增加越來越小的趨勢。

（2）改變下層壓實度比改變上層壓實度具有更好的經(jīng)濟效益。

（3）從施工角度，應(yīng)充分重視下層壓實度，在填筑上層之前，充分壓實下層，可以得到較小的沉降量和較好的經(jīng)濟效益。但是對如變形指標要求高的公路，壓實度越高越好，防止因沉降過大引起病害。

【參考文獻】

[1]吳俊，陳開圣，龍萬學(xué).高填方路基沉降變形有限元數(shù)值模擬[J].公路工程，2009，34（2）.

[2]李華，陳晨，李向群，壓實度對高填方路基自身沉降影響的數(shù)值分析[J].鐵道建筑，2010，（5）.

[3]王瑞甫.高填方路基沉降計算及預(yù)測方法研究[D].湖南：湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文，2003.

[4]何本國.ANSYS 土木工程應(yīng)用實例[M].北京：中國水利水電出版社，2011，10.

[5]王釗，胡海英，鄒維列.路堤壓實的影響因素和壓實度要求[J].公路，2004，（8）.