基于Abaqus的高速公路路基沉降分析

高 山

(廣西新發展交通集團有限公司,廣西 南寧 530022)

高速公路作為現代經濟社會發展的重要基礎設施,是建設現代化交通的重要基礎。高速公路路基在鋪筑期間以及長期的行車荷載作用下,會發生路基沉降,致使路基產生附加應力,進而加速路面結構的破壞[1-4]。因此,研究路基沉降問題,對我國耐久性路面結構的設計及使用具有重要意義。

目前,我國的道路研究者已采用有限元分析法或者現場觀測等手段對高速公路路基沉降問題進行了相關研究。樊振[5]綜述了路基沉降機理及監測方法,并利用Abaqus有限元建立路基沉降模型,研究發現路基壓實度、填方高度及填筑厚度對路基沉降具有顯著影響。王銳等[6]采用Abaqus軟件對高緯度多年凍土地區進行溫度場沉降分析,研究發現,隨著填筑高度的增加,凍土沉降變形逐漸增大。張相凱[7]建立了軟土地區路基沉降有限元模型,研究了路基填筑高度、路基土重度以及不同路面寬度時的工后路基不均勻沉降,并基于簡化的路面結構沉降模型,計算了路基沉降產生的附加應力。周禹[8]采用Ansys有限元軟件建立了高填方路基沉降模型,研究發現基于不同土質類型、填筑高度以及不同施工工藝下的路基沉降變形規律與室內離心模型試驗得到的規律一致。孫孝謙[9]基于數值模擬軟件對成都地區塑料排水板及碎石樁路基處治技術進行路基沉降分析,研究發現兩種處治技術均能有效控制軟土路基沉降變形。楊錦鳳與周浪峰[10]應用FLAC 3D軟件對高填方路基沉降進行模擬,研究發現,在填挖交界處采用土工格柵鋪筑以及采取增強補壓措施增大路基壓實度均能有效減少路基的工后沉降。

1 計算模型與參數設置

1.1 平面模型及材料參數

為了準確模擬路基堆載沉降過程,在仿真分析時,采用高速公路的模型,路基的模型是關于中心軸對稱的,為了簡便建模分析過程,因此取半個路基進行分析。路基頂面寬17.25 m,邊坡取1∶1.5。地基水平方向取60 m,高度取20 m,以消除地基水平邊界條件的影響。地基填料為粉土,路基填料為低液限黏土和3%水泥改良低液限黏土。路基分級填筑加載過程,分四層填筑,填筑高度為6.8 m,前三層低液限黏土每層填筑高度為2 m,第四層3%水泥改良低液限黏土填筑高度為0.8 m。路基與地基土材料參數見表1。

表1 路基與地基土材料參數

1.2 荷載及邊界條件

設定荷載以及邊界條件,約束模型左側水平位移與轉角位移(U1 與UR3設置為0)右側只約束水平位移,固定模型底邊所有位移(U1、U2與UR3均設置為0)。假定地下水位位于地基表面,地應力平衡分析步開始之前將地基表面孔壓邊界設為0,土體側向為不排水邊界,孔隙比不隨深度的變化而變化,施工填筑期路基填土載荷以體力形式施加,工后15年沉降荷載為在路基表面設置向下的0.5 MPa的均布荷載。分析過程打開幾何非線性,采用完全牛頓求解準則進行求解。

2 路基施工填筑期分級堆載模擬結果

2.1 孔隙水壓力變化規律

路基分層填筑期孔隙水壓力變化結果如圖1所示。

圖1 填筑期孔隙水壓力變化云圖

從圖1中可以看出:各個階段最大孔壓值均出現在路基中線以下地基底部,其原因為地基底部受到的壓縮作用較大,且該處距離地基表面最遠,孔隙水壓力很難通過上部排水邊界消散;各個階段孔壓值均不一樣,填土2 m完畢最大孔壓13.71 kPa,填土2 m固結后最大孔壓1.34 kPa。填土完畢最大孔壓4.19 kPa,填土完畢固結后最大孔壓0.39 kPa。

孔壓變化隨路基填筑的增加和間歇呈現減小趨勢,孔壓最大值出現在填筑第一層土完畢時刻,其原因為填筑開始后對地基產生的附加應力增大,當超過一定的臨界高度時,路基土最上層土體產生的附加應力經下部路堤土體擴散后,傳到地基上的附加應力變小,孔隙水壓力也開始變小。施工完成后地基孔壓高壓區范圍逐漸減小且有向右水平移動趨勢,其原因可能為:路堤填筑期的地基底部產生高孔壓區孔隙水隨時間增長產生豎向與水平向滲透流動,高孔壓區孔壓逐漸減小,低孔壓區孔壓產生一定程度增大。

2.2 水平位移變化規律

從分層填筑期水平位移變化結果圖中可以看出:填筑期水平位移最大值均發生于路基邊坡下面的地基中部附近,水平位移最小值發生于路基頂部邊緣一定范圍內。各個階段水平位移最大值均不一樣,填土2 m完畢最大水平位移0.6 cm,填土2 m固結后最大水平位移0.5 cm。填土6.8 m完畢最大水平位移1.74 cm,填土完畢固結后最大水平位移1.72 cm。

水平位移隨著填筑高度的增加而增大,且每層填筑完畢后的固結期會略微減小。因此,對于高填方路基,為了保證路基的穩定性,需要對地基進行相應處理,如換填法、排水固結法、加筋、深層密實等。

2.3 豎向沉降變化規律

從分層填筑期沉降變化規律圖可以看出:對于6.8 m的填筑期,填筑完畢最大沉降并不是發生在填土表面,而是發生在填土中下部,也就是填土高度4 m左右。這是因為隨著填筑高度的增加,路基中下部受到的荷載逐漸增大,且路基表面為3%水泥改良低液限黏土,其模量較大。各個階段沉降最大值均不一樣,填土2 m完畢最大沉降2.27 cm,填土2 m固結后最大沉降2.74 cm。填土6.8 m完畢最大沉降9.81 cm,填土完畢固結后最大沉降9.94 cm。

填筑前期沉降值較大,填筑后期沉降增長值逐漸減小。沉降由兩部分構成,即路基沉降與地基沉降,其中路基沉降占絕大部分,地基最大沉降量均發生于地基表面中點處,沿寬度、深度方向沉降逐漸減小,即中心沉降最大,兩側沉降小,近似為“沉降盆”形。

3 工后沉降有限元預測

3.1 水平位移變化預測

在Abaqus有限元模型路基表面設置向下的0.5 MPa的均布荷載(設置在路基填筑施工完成之后)來預測路基工后15年沉降,水平位移預測結果如圖2所示。

圖2 工后水平位移變化云圖

從圖2中可以看出:工后水平位移最大值均發生于路基邊坡下面的地基中部附近,水平位移最小值發生于路基頂部邊緣一定范圍內。各個階段水平位移最大值均不一樣。填筑完成時最大水平位移1.74 cm,施工完成時最大水平位移1.717 cm,工后5年最大水平位移1.719 cm,工后15年最大水平位移1.723 cm。水平位移大多發生于路基填筑期和施工期,工后15年水平位移變化幅度較小,原因為地基土體孔壓基本消散完畢,土體固結穩定。

3.2 沉降變化預測

可以看出:對于6.8 m的填筑期及工后期沉降,最大沉降并不是發生在填土表面,而是發生在填土中下部,也就是填土高度5 m左右。這是因為隨著填筑高度的增加,路基中下部受到的荷載逐漸增大,且路基表面為3%水泥改良低液限黏土,其模量較大。各個階段沉降最大值均不一樣,填土完成最大沉降9.8 cm,施工完成最大沉降9.94 cm。工后5年最大沉降9.953 cm,工后15年最大沉降9.977 cm。

將路基施工固結完成至工后1年、工后5年、工后10年以及工后15年的路基頂面沉降值繪制沉降曲線,如圖3所示。

圖3 路基頂面工后沉降曲線

可以看出,路基頂面的工后沉降曲線呈現“彎型盆”狀,路堤中心線處的沉降值最大,從路堤中心線向外至路堤邊緣,沉降值不斷減小。隨著工后時間的增長,沉降值逐漸增加,但增長變化量不是很大,工后15年路基頂面的沉降值達到最大,此時的路堤中心處路基頂面沉降值為1.56 cm,路堤邊緣處的路基頂面沉降值為0.92 cm,差異沉降為0.64 cm。

4 結 論

(1)從路基施工填筑期分級堆載數值模擬結果來看,孔隙水壓力隨路基填筑高度的增加呈現逐漸減小趨勢,第一層土填筑完畢時孔隙水壓力值最高。

(2)分層填筑期水平位移最大值于路基邊坡下面的地基中部附近,最小值于路基頂部邊緣一定范圍內。豎向位移最大值發生在填土中下部的低液限黏土區。

(3)基于工后15年沉降有限元預測結果,沉降值隨工后時間的增加逐漸趨于穩定,工后1年左右,地基孔隙水壓力基本消散完畢,反映出來的是沉降基本不再變化。路基頂面的不均勻沉降曲線呈現“彎型盆”狀,即中線處沉降最大,兩側邊緣沉降最小。