高速公路路堤不同填筑高度下的位移及應力分析

藍英

摘要：文章以某地高速公路路堤填筑為研究對象，采用配制的改良土進行路堤填筑模擬分析，并研究了不同填筑高度下的路堤位移及應力變化規律。結果表明：（1）路堤水平位移沿中心兩側呈對稱分布，從中心往兩側路肩方向水平位移依次增大，且路堤頂部位移隨填筑高度增大，路堤填筑高度越大越不安全;（2）路堤頂部豎向位移最大，沿深度向下豎向位移逐漸減小，且路堤頂部中心最大豎向位移隨填筑高度增大而增大，沿路堤中心向兩側豎向位移逐漸減小;（3）路堤坡腳位置處水平應力隨路堤高度增加而增大，當填筑高度增大時應采取一定的坡面防護措施;（4）隨著路堤高度的增加，路堤水平應力和豎向應力逐漸增大，且水平和豎向應力均隨路堤填筑高度增大而增大。

關鍵詞：高速公路;路堤;填筑高度;位移;應力;數值分析

0 引言

修建高速公路工程過程中，由于地表高差現象的存在，路堤填筑成了常見的施工內容。由于路堤不同填筑高度具有不同的力學行為，因此研究不同填筑高度下的高速公路路堤位移和應力變化規律對于指導設計和施工具有重要的作用。近年來，國內學者對此進行了一些研究，孫鍇、陳超等人[1-2]以某高速公路煤矸石作填筑材料施工為研究對象，分析和模擬了3種不同壓實度及3種不同填筑高度的煤矸石路堤的計算模型，計算了在不同壓實度和填筑高度下路堤模型的豎向沉降、水平位移以及最大應力值，并對其變化規律進行了研究;劉金修、謝榮凱等人[3-4]采用有限元計算分析軟件，建立拓寬路基不同填筑高度下的力學計算模型，系統分析路基在不同填筑高度下的力學特性，研究高速公路不同填筑高度對拓寬路基的豎向位移、水平位移、豎向應力、剪應力等力學行為的影響;夏英志、王志斌等人[5-6]以某高速路堤為例，采用有限元軟件研究了不同填方高度、路基土壓實度和不同填筑材料對高填方路堤差異沉降特性，得出改善路堤填土的力學性質是減小路基壓縮沉降非常有效的措施之一;商慶森、章定文等人[7-8]采用有限元軟件研究了不同行車荷載、不同填筑高度下的路基變形和應力，研究表明超限車輛引起粉性土路堤的過大變形是導致半剛性瀝青路面結構疲勞開裂的重要因素，提高粉土路基的壓實度能有效地降低路基的孔隙比及變形，并改善路面結構的疲勞拉應力狀況。本文主要以某地高速公路路堤填筑為研究對象，采用配制的改良土進行路堤填筑，重點分析了不同填筑高度下的位移及應力變化規律，研究結果可為類似工程設計和施工提供一定的參考依據。

1 工程概況

某高速公路工程地基為膨脹土素土，路基填料采用改良土填筑，改良土配方為石灰、煤矸石和膨脹土三者比例為1∶2∶10的混合料。路基頂部寬度設計值為25.5 m，路基填筑高度范圍為5～20 m，坡率按照1∶1.5設計，施工時采用分層鋪填碾壓的方法，每次填筑高度為1.0 m。為了探究不同填筑高度下路堤的位移及應力變化規律，下文采用數值模擬的方法進行分析。

2 數值建模

圖1所示為采用有限元軟件ANSYS軟件建立的數值模型圖。根據實際工況，路基的頂部寬度取值為25.5 m，高度H取四種工況，分別為5 m、10 m、15 m和20 m，坡率為1∶1.5，施工時采用分層鋪填碾壓的方法。路堤坡底寬度對應依次為40.5 m、55.5 m、70.5 m和85.5 m，模型整體寬度取104 m，模型長度（垂直路基截面方向）取10 m，模型地基高度取20 m。除上邊界外，其他邊界均進行位移約束。

表1給出了石灰、煤矸石和膨脹土三者比例為1∶2∶10時混合料（即路堤）和地基原膨脹土的有關物理力學參數。

3 數值結果分析

3.1 位移監測分析

本節從水平位移和豎向沉降方面對路堤不同填筑高度時的變化規律進行分析。

3.1.1 水平位移監測分析

如圖2所示，為不同路堤高度時的路堤上頂層水平位移曲線，規定路堤左半側以位移向左為正，路堤右半側以位移向右為正，反之為負。由圖2可知，水平位移沿路堤中心兩側對稱分布，路堤中心水平位移基本為0，往兩側路肩方向水平位移依次增大，且從路堤中心到兩側水平位移基本呈現出線性增大的趨勢。當路堤高度H取5 m、10 m、15 m和20 m時，對應的路堤最大水平位移（即路堤頂部兩側邊緣）依次為2.21 mm、4.18 mm、5.72 mm和6.80 mm，相比于路堤填筑高度為5 m時，填筑高度為10 m、15 m和20 m時路堤頂部最大水平位移分別增大了89.1%、158.8%、207.7%，路堤頂部位移隨填筑高度增大，其增速逐漸減緩。

如圖3所示，為不同路堤高度時的路堤與地基接觸面水平位移曲線，同樣規定路堤左半側以位移向左為正，路堤右半側以位移向右為正，反之為負。由圖3可知，水平位移沿路堤中軸線兩側對稱分布，路堤與地基接觸面軸線中心水平位移基本為0，往兩側坡腳方向水平位移先增大后減小。當路堤高度H取5 m、10 m、15 m和20 m時，對應的路堤與地基接觸面最大水平位移依次為1.98 mm、6.04 mm、10.43 mm和14.82 mm，相比于路堤填筑高度為5 m時，填筑高度為10 m、15 m和20 m時路堤與地基接觸面最大水平位移分別增大了205.1%、426.8%、648.5%，路堤與地基接觸面水平位移隨填筑高度增大而增大。路堤高度H取5 m、10 m、15 m和20 m時最大水平位移發生位置依次為距離路堤中線18 m、23 m、27 m和30 m。對比圖2和圖3可知，路堤填筑對路堤與地基接觸面影響更大。

3.1.2 豎向位移監測分析

圖4為不同路堤高度時的路基中線沿深度方向的豎向位移曲線圖，規定路堤位移以豎直向下為正，反之為負。由圖4可知，路堤頂部豎向位移最大，沿深度向下，豎向位移逐漸減小。當路堤高度H取5 m、10 m、15 m和20 m時，對應的路堤頂部中心最大豎向位移依次為47.3 mm、68.0 mm、89.1 mm和110.4 mm，相比于路堤填筑高度為5 m時，填筑高度為10 m、15 m和20 m時路堤頂部中心最大豎向位移分別增大了43.8%、88.4%、133.4%，說明路堤頂部中心最大豎向位移隨填筑高度增大而增大。此外，觀察圖4還可以發現，在路堤深度范圍內，沿深度方向豎向位移減小速率較慢，而在地基深度范圍內，沿深度方向豎向位移減小速率較快，基本呈線性減小。

圖5為不同路堤高度時的路堤右頂點沿深度方向的豎向位移曲線圖，仍然規定路堤位移以豎直向下為正，反之為負。由圖5可知，沿深度向下，路堤右頂點豎向位移逐漸減小。當路堤高度H取5 m、10 m、15 m和20 m時，對應的路堤右頂點豎向位移依次為42.4 mm、60.1 mm、81.3 mm和103.3 mm，該處豎向沉降規律與圖4相同。對比圖5和圖4可知，路堤中心沉降最大，路堤高度H取5 m、10 m、15 m和20 m時，路堤右頂點豎向位移同比路堤中心依次減小了10.4%、11.6%、8.8%和6.4%，說明沿路堤中心向兩側豎向位移逐漸減小，且路基填筑高度越大，路基整體沉降越均勻。

3.2 應力云圖分析

3.2.1 水平位移云圖

下頁圖6為不同路堤高度時的水平應力云圖。由圖6可知，不同路堤高度時，路堤中心水平應力小于同期其他部位，坡腳位置處水平應力隨路堤高度增加而增大，因此當填筑高度增大時，應采取一定的坡面防護措施。此外，觀察圖6可以發現，隨著路堤高度的增加，路堤水平應力逐漸增大，且同一水平位置上，路堤中線處水平應力大于兩側。

3.2.2 豎向位移云圖

圖7為不同路堤高度時的豎向應力云圖。由圖7可知，不同路堤高度時，路堤中心豎向應力沿路堤中軸線左右對稱，沿路堤深度方向豎向應力逐漸增大，且豎向應力隨路堤填筑高度增大而增大。

4 結語

本文主要以某地高速公路路堤填筑為研究對象，采用配制的改良土進行路堤填筑，重點分析了不同填筑高度下的位移及應力變化規律，得到以下結論：

（1）路堤水平位移沿中心兩側呈對稱分布，路堤中心水平位移基本為0，往兩側路肩方向水平位移依次增大，相比于路堤填筑高度為5 m時，填筑高度為10 m、15 m和20 m時路堤頂部最大水平位移分別增大了89.1%、158.8%、207.7%，即路堤頂部位移隨填筑高度增大，路堤填筑高度越大越不安全。

（2）路堤頂部豎向位移最大，沿深度向下豎向位移逐漸減小。相比于路堤填筑高度為5 m時，填筑高度為10 m、15 m和20 m時路堤頂部中心最大豎向位移分別增大了43.8%、88.4%、133.4%，說明路堤頂部中心最大豎向位移隨填筑高度增大而增大。此外，沿路堤中心向兩側豎向位移逐漸減小，且路基填筑高度越大，路基整體沉降越均勻。

（3）路堤中心水平應力小于同期其他部位，坡腳位置處水平應力隨路堤高度增加而增大，即當填筑高度增大時，應采取一定的坡面防護措施。此外，隨著路堤高度的增加，路堤水平應力逐漸增大，且同一水平位置上，路堤中線處水平應力大于兩側。

（4）不同路堤高度時，路堤中心豎向應力沿路堤中軸線左右對稱，沿路堤深度方向豎向應力逐漸增大，且豎向應力隨路堤填筑高度增大而增大。[KG-1mm][XCW.TIF，JZ]

參考文獻：

[1]孫 鍇，彭 立，杜勇立，等.基于FLAC3D的煤矸石路堤沉降與應力分析與現場測試對比研究[J].公路工程，2014（1）：83-87，98.

[2]陳 超.高速公路拓寬段路基填土參數變化下的力學行為分析[J].福建交通科技，2020（3）：11-14.

[3]劉金修，付 曉.高速公路不同填筑高度下力學行為研究分析[J].新疆交通運輸科技，2016（6）：14-17.

[4]謝榮凱，方 東，鞠 舸，等.邊坡尺寸對高填方路堤位移影響分析[J].中國水運（下半月），2020，20（4）：175-176.

[5]夏英志，程 玉.高速公路高填方路堤差異沉降特性研究[J].公路工程，2019（4）：268-273.

[6]王志斌，李 亮.山區貼坡路堤工作性狀模型試驗研究[J].湖南城市學院學報（自然科學版），2011，20（1）：8-12.

[7]商慶森，朱海波，杜紅慶.行車荷載和填筑高度對粉性土路堤變形的影響[J].公路交通科技，2004（1）：24-27.

[8]章定文，劉松玉.高速公路擴建工程中新路填筑對老路影響的參數分析[J].公路交通科技，2006，23（7）：31-34.