高填方路基涵洞在多場耦合下的特性研究

孟旖

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司 天津 300308）

1 概述

隨著交通工程的迅速發展，道路成為貫穿工程的生命線，高填方路基的設計和施工也就成了目前關注的重點。對于高填方路堤涵洞的研究主要集中在非凍土區的路堤涵洞所受垂直土壓力的大小、涵洞上覆荷載的減荷技術、涵洞變形等方面。在季凍區高填方路堤溫度場引起的路堤形態改變與涵洞受力變形之間的關系等方面還有諸多待完善之處。凍土路基是在路基上部覆蓋一層厚度1～5m的季節凍融層，土層在融化過程中會產生融沉變形，而凍結過程中則產生凍脹變形。

以承德市豐寧縣高填方涵洞為依托工程，用ABAQUS軟件對高填方路基進行為期一年的多場耦合模擬，對于季凍區高填方路基涵洞的受力行為提出新的研究理論。

2 有限元分析及結論

2.1 有限元模型的建立

路堤由土石混合填料組成，路基高度30m，根據當地的地質報告以及參考文獻確定材料參數。

路堤邊坡穩定性研究中主要考慮土體自重的影響，未考慮列車荷載對路基穩定性的影響。凍土路基發生凍脹融沉，土體的應力不斷傳遞和分散就使得路基產生了不均勻的位移。

整體模型底部加固定端約束，路堤邊坡加側向約束，地表為自由面；模型中未加入不均勻沉降的因素，主要考慮季凍區土體的凍脹融沉對位移的影響。

2.2 多場耦合模擬過程

本節利用ABAQUS有限元計算軟件模擬水分場、溫度場和重力場對路基的共同作用，水分場中主要考慮水的相變潛熱，模擬溫度場時，是穩態分析過程，初始應力分布與初始飽和度形成之后，再進行瞬態分析。

2.3 多場耦合模擬計算分析

從第一年的8月開始到第二年的8月結束，進行了多物理場耦合的分析，即溫度場、應力場和相變之間相互作用的模擬。

2.3.1 冷橋效應

“冷橋”效應主要指在建筑物外圍結構與外界進行能量傳導時，圍護結構中的某些部位和其他部位的熱傳導系數存在差別，使得能量從某些部位能夠快速的傳遞。對于高填方路基中的涵洞，在寒季出現冷橋效應，增加涵洞的受力，減少混凝土的使用壽命和影響涵洞和周圍土體之間的相互作用，所以應該盡量避免冷橋效應的出現。

2.3.2 結合“冷橋效應”分析計算結果

圖1距離涵頂不同位置處的應力值

圖1 所示分別為距離涵洞頂部0m和0.83m處一年的應力值變化，可以看出0m處和0.83m處的應力值的趨勢一致。12月以后，涵洞應力值減小，是由于溫度逐漸降低，涵洞和填土中的水分發生相變，出現凍脹的現象，溫度逐漸降低，涵洞發生了“冷橋效應”，涵洞自身的承載能力提高；3月以后，開始回暖，路基的融沉現象較為明顯，填土進入融化狀態，涵洞的“冷橋”作用消失，涵洞又開始承受上部體的重量，應力值逐漸增加。以上現象說明了涵洞在寒季會產生“冷橋”效應。

涵壁周圍土體首先形成凍結圈，逐漸向路基內部延伸；在多場耦合計算的第150d左右，上部位置的路基填料產生凍結，逐漸形成凍結圈，大概經過90d的時間，形成最大凍結圈；又經過40d左右時間，土體逐漸融化，涵洞周圍凍結層逐漸消失，再經歷大約30d時間，凍結層徹底消失，進入融化狀態。當外界溫度低于路堤內部溫度后，涵洞周圍的路堤填料將通過涵洞使溫度降低，溫度低于填料凍結點之后出現凍脹現象，且隨著外界溫度的降低凍結層厚度逐漸增厚；當外界溫度高于路堤填料凍結溫度后，涵洞周圍的凍結層迅速融化。

3 結論

經過研究可以發現，在凍土路基凍結期間，路基本體在涵洞周圍處會形成凍結圈。涵洞發生了“冷橋”效應，涵洞自身的承載能力提高，從而涵洞計算出的應力值減小，提高了自身的承載能力，當溫度升高時冷橋效應逐漸消失。但是在工程實際當中，應盡量避免冷橋效應的產生，防止工程質量受到影響。

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