拓寬公路路基變形與擋土墻受力特性有限元分析

蘆 佳，郝宇萌，蒙超榮

拓寬公路路基變形與擋土墻受力特性有限元分析

蘆 佳，郝宇萌，蒙超榮

(長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064)

采用Midas/GTS有限元軟件，分析了山區(qū)陡坡段拓寬公路路基與擋土墻受力變形特性。結(jié)果表明，拓寬路基頂面沉降曲線呈“勺子”形，要重視新、老路基結(jié)合部位的處治以及擋墻與拓寬路基的拼接處理；不僅要控制拓寬路基工后沉降，還應(yīng)控制新、老路基的差異沉降，防止其對(duì)路面結(jié)構(gòu)造成破壞；擋土墻墻背上的土壓力分布并非是理論上的線性分布，土壓力大小介于靜止土壓力與主動(dòng)土壓力之間，擋墻土壓力的分布及大小決定了擋墻的穩(wěn)定狀態(tài)；通過(guò)分析路基拓寬寬度和填料壓縮模量等因素對(duì)路基和擋墻受力變形的影響，建議根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況減小拓寬寬度，合理選擇填筑材料。

山區(qū)陡坡段；有限元；拓寬路基；擋土墻；受力與變形特性

近年來(lái)，我國(guó)的交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展迅速，推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，但有相當(dāng)一部分公路年久失修，已不能適應(yīng)交通量增長(zhǎng)和社會(huì)發(fā)展的要求，迫切需要擴(kuò)大道路通行能力，尤其是在山區(qū)陡坡地段，路基路面病害較多[1-3]且車道狹窄。山區(qū)陡坡地段的路線大多為一側(cè)靠山，另一側(cè)為河谷，故路基的拓寬工程多數(shù)利用部分原路基，采取單側(cè)加寬的方式，并在加寬路基外側(cè)設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)。拓寬路基由于新老路基修建歷史、填料和壓實(shí)度的差異，新老路基頂面將產(chǎn)生橫向不均勻沉降，傅珍[4-5]、蔣洋[6]對(duì)高速公路拓寬工程不同因素對(duì)路基差異沉降的影響進(jìn)行了研究。新路基外側(cè)的剛性擋土墻在填土壓力作用下產(chǎn)生位移變形，擋墻的位移模式?jīng)Q定了墻背土壓力的分布以及大小，Mohammad H K[7]給出了水平土壓力強(qiáng)度、合力大小及作用點(diǎn)高度的近似解；王閆超[8]針對(duì)無(wú)黏性土的有限土體土壓力問(wèn)題，采用薄層單元法推導(dǎo)出解析公式；陳頁(yè)開[9]、盧坤林[10]、彭述權(quán)[11]分析了擋土墻的不同變位模式對(duì)土壓力大小和分布的影響；陳奕柏[12]、婁培杰[13]研究了非極限主動(dòng)土壓力的變化規(guī)律。采用數(shù)值模擬的方法對(duì)擋墻受力與路基變形機(jī)理進(jìn)行研究和分析，可以為路基的設(shè)計(jì)和施工提供科學(xué)的參考依據(jù)；劉巍巍[14]、唐朝生[15]運(yùn)用有限元軟件對(duì)新老路基拼接中所產(chǎn)生的差異沉降問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬；萬(wàn)智[16]采用數(shù)值計(jì)算方法，分析了山區(qū)拓寬改造公路擋土墻路基的受力與變形特征。

本文利用數(shù)值模擬計(jì)算手段分析了山區(qū)陡坡段拓寬路基的基本特性，以及拓寬寬度和填料壓縮模量等因素對(duì)拓寬路基變形與擋墻受力的影響，為設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 拓寬公路路基和擋土墻受力與變形的有限元計(jì)算

1.1計(jì)算模型的基本假定

(1)路基有足夠的長(zhǎng)度，其受力狀態(tài)為典型的平面應(yīng)變問(wèn)題，故采用二維有限元模型。

(2)老路基的固結(jié)變形已經(jīng)基本完成，主要考慮施工階段對(duì)路基和擋墻的影響。

(3)老路基、新路基以及山體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，天然地基和擋土墻采用理想彈性本構(gòu)模型。

(4)邊界條件：模型下端設(shè)置水平向約束和豎向約束，模型兩側(cè)設(shè)置水平向約束。

(5)僅考慮新路基填筑高度范圍內(nèi)擋墻的土壓力。

1.2計(jì)算模型的建立

本文采用有限元軟件Midas/GTS進(jìn)行數(shù)值模擬。幾何參數(shù)：老路基頂面寬度8 m，外側(cè)邊坡傾角為60°，路基拓寬4 m，老路利用寬度6 m；拓寬路基外側(cè)設(shè)置仰斜式路肩擋墻，墻高5 m，墻頂寬1.15 m，墻背及墻面坡比1∶0.25，天然地基為巖石地基，查閱規(guī)范[17]，取基礎(chǔ)埋深1 m，左側(cè)邊界取至離新老路基頂面結(jié)合部17.7 m，右側(cè)邊界取至離新老路基頂面結(jié)合部19 m，底邊界取至離路基底面15 m，具體尺寸及有限元網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖1，按參考文獻(xiàn)[16]確定有限元各材料計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 計(jì)算模型及有限元網(wǎng)格劃分

表1 有限元模型材料參數(shù)

模型計(jì)算過(guò)程：

(1)鈍化新路基和擋墻單元，對(duì)老路基、山體及地基施加重力，獲得三者在重力作用下的位移場(chǎng)。

(2)對(duì)上步產(chǎn)生的位移場(chǎng)做位移清零，僅考慮施工階段產(chǎn)生的位移場(chǎng)。

(3)激活新路基和擋墻單元，并施加重力，獲得施工結(jié)束后的豎向位移場(chǎng)及水平向應(yīng)力場(chǎng)，見(jiàn)圖2、圖3。

(4)提取施工結(jié)束后路基頂面沉降數(shù)據(jù)和墻背土壓力數(shù)據(jù)，見(jiàn)圖4、圖5。

圖2施工結(jié)束后的豎向位移場(chǎng)圖3施工結(jié)束后的水平向應(yīng)力場(chǎng)

圖4施工結(jié)束后路基、擋墻頂面沉降曲線圖5施工結(jié)束后墻背土壓力

2 山區(qū)陡坡段拓寬公路路基與擋土墻穩(wěn)定性分析

2.1基本特征分析

由圖4可以看出，拓寬路基頂面中部一定范圍內(nèi)的沉降量最大，新、老路基交界位置以及新路基與擋墻結(jié)合部位曲線突變較為明顯，路基頂面沉降曲線呈“勺子”形。

在山區(qū)陡坡段公路拓寬工程中，要重視新、老路基結(jié)合部位的處理，防止因產(chǎn)生較大的沉降差異而造成路面結(jié)構(gòu)的破壞，同時(shí)還要注意擋墻與拓寬路基的拼接處理，保證擋墻及拓寬路基的穩(wěn)定性。

由圖5可知，施工結(jié)束后墻背上的土壓力分布并非是理論上的線性分布，其大小及分布受土體性質(zhì)、擋土結(jié)構(gòu)類型及其位移等諸多因素影響。施工結(jié)束后墻背土壓力的大小介于靜止土壓力與主動(dòng)土壓力之間，說(shuō)明擋墻在填土壓力作用下，背離填土方向移動(dòng)，墻背上半部分土體較為接近主動(dòng)極限平衡狀態(tài)。

2.2不同工況下路基與擋土墻穩(wěn)定性規(guī)律研究

為研究山區(qū)陡坡段拓寬公路新老路基差異沉降及擋墻的受力規(guī)律，利用上述數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行單因素控制數(shù)值模擬分析，試驗(yàn)方案為：

(1)不同拓寬寬度對(duì)路基和擋墻的受力與變形的影響。

拓寬寬度：2 m、3 m、4 m、5 m、6 m。

(2)回填土體不同壓縮模量對(duì)路基和擋墻的受力與變形的影響。

壓縮模量：5 MPa、10 MPa、20 MPa、30 MPa、40 MPa。

2.2.1 不同拓寬寬度的影響

從圖6可以看出，隨著拓寬寬度的增加，新路基頂面的沉降量逐漸增大，最大沉降點(diǎn)位置逐漸外移，老路基頂面沉降量變化較小，新老路基的差異沉降逐漸增大，擋墻與新路基的差異沉降逐漸增大。由圖7可知，隨著拓寬寬度的增加，土壓力的分布發(fā)生了較大的變化，由上小下大的凹形拋物線逐漸變?yōu)橐粭l趨近于直線的折線，接近于理論上的線性分布。

由以上分析可知，拓寬寬度對(duì)新老路基頂面的差異沉降及墻背土壓力分布的影響較為明顯。拓寬寬度的增加使得路基頂面差異沉降增大；擋墻受力特性向不利的方面發(fā)展，在拓寬6 m的情況下，墻頂壓力較大，墻背中部一定范圍的土體達(dá)到甚至超過(guò)了主動(dòng)極限平衡狀態(tài)，在拓寬2 m的情況下，墻背各點(diǎn)土壓力基本呈線性分布，介于主動(dòng)土壓力與靜止土壓力之間。

圖6不同拓寬寬度路基、擋墻頂面沉降曲線圖7不同拓寬寬度墻背土壓力

2.2.2 回填土體不同壓縮模量的影響

由圖8可以看出，隨著新路基壓縮模量的減小，新路基頂面沉降曲線的下降幅度逐漸增大，特別是壓縮模量在20 MPa以下，曲線的突變尤為明顯，突變點(diǎn)位于新老路基頂面結(jié)合部以及擋墻與新路基結(jié)合部，老路基頂面沉降量變化較小，新老結(jié)合部的沉降量變化與擋墻頂面的沉降量變化基本相同。從圖9可以看出，隨著壓縮模量的增大，墻身頂部土壓力減小，下部土壓力曲線向右彎曲，土壓力合力逐漸增大，合力作用點(diǎn)逐漸下移。

由以上分析可知，隨著新路基壓縮模量的增大，路基頂面變形特性和擋墻受力與變形向著有利于路基穩(wěn)定的方向發(fā)展，當(dāng)新路基壓縮模量超過(guò)某一值時(shí)，這種變化產(chǎn)生的影響相對(duì)減小。

圖8新路基不同壓縮模量下路基、擋墻頂面沉降曲線圖9新路基不同壓縮模量下墻背土壓力

3 結(jié)論

本文通過(guò)有限元軟件對(duì)山區(qū)陡坡段拓寬公路路基與擋土墻穩(wěn)定性進(jìn)行分析，得到以下結(jié)論：

(1)拓寬路基頂面沉降曲線呈“勺子”形，最大沉降發(fā)生在拓寬路基頂面中部一定范圍內(nèi)。要重視新、老路基結(jié)合部位的處理，同時(shí)還要注意擋墻與拓寬路基的拼接處理。

(2)擋土墻墻背上的土壓力分布并非是理論上的線性分布，土壓力大小介于靜止土壓力與主動(dòng)土壓力之間。

(3)拓寬寬度的增加使得新、老路基頂面差異沉降增大，且擋墻受力特性向不利的方面發(fā)展。

(4)隨著新路基壓縮模量的增大，路基頂面變形特性和擋墻受力特性向著有利于路基穩(wěn)定的方向發(fā)展，當(dāng)新路基壓縮模量超過(guò)某一值時(shí)，這種變化產(chǎn)生的影響減小，要合理確定填料壓縮模量范圍。

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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

蘆 佳(1991—)，男，河南三門峽人，碩士研究生。

1674-7046(2017)03-0019-05

10.14140/j.cnki.hncjxb.2017.03.005

U416.1

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