基于Geostudio的路基加寬變形分析

單 雨

(西南交通大學土木工程學院， 四川成都 610031)

氣泡輕質土的出現對工程建設有了很大的幫助。1986年[2]日本東北公用氣泡輕質土應用于道路填土中，從而達到減載目的，對道路滑坡進行了有效的治理，隨著氣泡輕質土技術逐漸成熟，我國同時也引進了氣泡輕質土的應用，并對其進行了大量的研發。氣泡輕質填土路基對解決路基不均勻沉降、舊路拓寬改建等問題具有良好效果。2015年[3]彭惠在青藏公路普通填土路基長期變形特征與路基病害調查分析中，基于長期監測系統2004～2011年現場監測數據，研究了路基填土變形的特征分析，有利于路基后期維護。

目前，氣泡輕質土廣泛地運用在我國基礎設施建設中，輕質性、環保性、易于施工和抗震性、造價低等優良特性，在老路基加寬工程上工藝施工已經比較完善，但是如何定性定量地研究氣泡輕質土在路基加寬上的沉降變形破壞和分析，卻仍被忽視。基于此背景下，本文依托某公路老路基加寬工程，針對研究了氣泡輕質土填土時的受力分析，更好的提出路基加寬施工方案。

1 路基受力理論分析

由氣泡輕質土自重和鋪裝荷載共同作用式進行分析(取單位長度分析)[4]。

(1)

式中：Fs為滑動安全系數，安全條件：平常時Fs≥3.0；地震時Fs≥2.0；qa為地基容許承載力(MPa)；q為氣泡輕質土自重及鋪裝荷載共同作用基底的應力(MPa)；當山體背面(或既有填土)產生土壓力時，根據下圖的地基應力分布形式可以得出[5](圖1)。

(1) 當共同力作用點在基地1/3寬度內時(e≤L/6)：

(2)

(3)

(2)當共同力作用點在基地2/3寬度內時(e>L/6)：

(4)

式中：q1、q2為兩端壓應力(MPa)；V1為作用于基底的垂直荷載(kN/m)；L為基底寬度(m);e為合力的作用點至底面中心的距離(m);PV為背面土壓的垂直分量(kN/m)；W1為氣泡輕質土自重及上部施加荷載(kN/m)。

(a) 力作用點在基地1/3寬度

(b) 力作用點在基地2/3寬度

2 路基模型建立

模型尺寸與原型尺寸為1∶1，模型寬高為10m×12m，模型分為四個模塊：路基基床、老路基、氣泡輕質土路基、路面墊層。氣泡輕質土通過分層澆筑，每次澆筑1m，最后一層0.4m,下一層澆筑時間為上一層澆筑達到初凝強度時間，通過參數的時間延續設置達到要求。模型右側根據實際情況設置x為固定邊界，左側為臨空狀態，設置為自由邊界，模型底部為x-y固定邊界[6]。模型考慮老路基已經沉降完成，為了研究新路基的變形情況，在填筑氣泡輕質土前，清除老路基自重應力的累積變形。計算采用彈塑性本構模型，氣泡輕質土填筑土及老路基視為均質各向同性彈塑性體[7]，劃分網格一共1 292個節點，489個單元，采用初始狀態和逐級加載的方式。模型如圖2。對加寬的新路基分級加載，分別為50kPa、100kPa、200kP、250kPa、300kPa、400kPa等。為了研究新老路基交界處的路基變形破壞，取有限元模型A、B、C、D四個點，對這四個點的應力變化和沉降變形具體分析。

圖2 有限元路基模型

2.1 模型參數選取

根據公路材料規范規定以及氣泡輕質填土公路運用規范[8]，老路基和氣泡輕質土等材料參數選取如表1。

表1 材料物理參數

2.2 路基應力特征分析

路基主要承受自重應力和路面移動荷載，氣泡輕質土分層填筑后上部分級加載，新路基產生豎向變形和沉降。路基應力云圖如圖3所示，當路基表面施加荷載到50kPa時，氣泡輕質土填土路基受彈性變形，上部路基表面應力變化較小，路基中部新老路基交界處受到側向壓力作用，交界處左側出現應力集中現象，應力相對路基其他部位較大。隨著上部荷載的增加氣泡輕質土由外層向新老路基交界應力逐漸增大。氣泡輕質土逐漸發生塑性變形，新老路基交界處附近應力影響范圍擴大，交界處附近最大達到470kPa，荷載達到400kPa后，模型失效發生破壞。

圖3 模型應力云圖

圖4為四個點的應力對比圖。可以看出隨著上部荷載的增加，四個監測點的應力隨之增加。在不同荷載下，A、D相對B、C兩個監測點的應力較大，可以看出，新老路基交界處左側應力集中，更容易發生變形破壞。

圖4 不同荷載作用在A、B、C、D點的應力對比

2.3 路基豎向沉降

圖5為氣泡輕質土填土路基在施加最大荷載(400kPa)下豎向位移云圖，路基沉降最大值為5.38cm，受到上部荷載作用，上層氣泡輕質土沉降變形較大，變形由上層氣泡輕質土朝基底層次性遞減。

圖5 豎向位移云圖

從A、B、C、D四個點可以看出施加荷載為50kPa時，路基變形不明顯，上部施加荷載為200kPa時，路基沉降較大，并隨荷載的增加至400kPa，變形隨之增大，最大變形達到0.355m，四個監測點變形趨勢具有一致性。

圖6 不同荷載作用在A、B、C、D點的沉降對比

3 結論

本文以實際工程為背景，采用有限元方法，研究了氣泡輕質填土路基在受載作用下的變形特征和受力破壞機理，初步結論如下：

(1)氣泡輕質土路基在不同荷載的作用下，從彈性變形到塑性變形發生破壞的過程中，新老路基交界處左側出現應 力集中現象，應力最大達到470kPa，當荷載達到400kPa后，模型失效發生破壞。

(2)考慮老路基已沉降完成，氣泡輕質填土受到上部荷載的增加，新路基沉降變形越大，變形由上層氣泡輕質土朝基底層次性遞減，路基路面最大沉降達到5.38cm。在四個監測點位置，沉降有明顯變化，最大沉降達到3.55cm。

(3)從本文的研究結果得出，氣泡輕質土填土在上部荷載作用下變形較小，考慮路基穩定性，建議對強度較小的氣泡輕質土右側設置錨桿加固，消除新老路基交界處應力集中現象，增強路基穩定性。