压实度对高填方路基自身沉降影响的数值分析

李 华，陈 晨，李向群

(1.吉林大学，长春 130012;2.吉林建筑工程学院，长春 130021)

工程实践表明，路基沉降是高填方路基亟待解决的问题之一。高填方路基沉降，特别是工后不均匀沉降将严重影响行车的安全与舒适，甚至导致路基路面的结构性破坏，大大增加道路的养护与维修费用。高填方路基的沉降变形包括两个方面:一是高填方路基自身的压缩沉降;二是高填方路基下天然地基的压缩变形。汤东等通过对路堤高度与沉降变形关系的计算分析指出，随着路堤高度的增加，路堤自身的沉降占总沉降的比重显著增加［1］。付魏等对几种比较典型的压实填土土样分别在不同密实度、分级荷载应力作用下进行压缩试验，掌握其沉降变形特性，认为中高填方路基的沉降是因压实不足所致，而不是固结沉降所致［2］。国内部分学者通过研究认为，对路基进行高标准的压实是保证路基应有强度和稳定性的一项最经济有效的技术措施。本文在已有研究成果的基础上，利用大型有限元软件ANSYS就不同压实度对高填方路基自身沉降变形的影响进行数值模拟分析，以探讨压实度与高填方路基自身沉降变形之间的关系，为高填方路基的设计与施工提供参考。

1 计算模型

1.1 基本假定

1)土石料为各向同性连续介质;

2)岩土材料为理想弹塑性体;

3)不考虑地基的沉降变形，认为地基在路堤荷载和自重的作用下已完成固结沉降变形;

4)路堤填料的变形是在自重作用下产生的，而不考虑行车荷载及气候因素对其造成的影响;

5)不考虑路堤填料土体固结及孔隙水压力的影响。

1.2 土的本构关系

本文采用适用于岩土类材料的Drucker-Prager(简记D-P)弹塑性本构模型模拟高填方路基填土的应力应变关系。该模型使用Drucker-Prager屈服准则，考虑了中应力σ2对屈服和破坏的影响而且屈服面光滑没有棱角，有利于塑性应变增量方向的确定和数值计算。该准则所需材料参数少，且易于试验测定或由C-M准则材料常数换算。此外，D-P准则考虑了静水压力对屈服和破坏的影响，因此特别适用于岩土类材料的本构模型使用。其屈服面为圆锥形，是六角形的摩尔-库仑屈服面的外切锥面，见图1。

使用D-P模型时，除了输入弹性模型所需的基本参数外，还需输入黏聚力 c、内摩擦角 φ和膨胀角 φf三个参数，其中膨胀角φf是用来控制体积膨胀大小的参数。对于压实的颗粒状材料，当材料受剪时颗粒会发生膨胀，如果膨胀角φf=0，则不会发生体积膨胀，如果φf=φ则会发生严重的体积膨胀。一般情况下偏于保守，取φf=0。

1.3 有限元分析几何模型

路基作为线形带状构造物，可将其视为平面应变问题进行弹塑性数值模拟分析。沿行车方向取1 m，路基总高度为24 m，边坡形式为折线形，上部8 m坡度为1∶1.5，下部16 m坡度为1∶1.75，采用黏质土填筑。地基土第一层为黏土层，厚20 m;黏土层下取40 m厚基岩，地基土水平方向取为200 m，计算模型如图2所示。根据现场试验及室内三轴试验确定各材料及不同压实度路基填土的物理力学参数如表1和表2所示。

图1 D-P屈服面和摩尔库仑屈服面

图2 高填方路基计算模型

表1 材料物理力学参数表

表2 不同压实度黏质土的物理力学参数表

2 计算结果及分析

2.1 计算结果

为了研究不同压实度对高填方路基自身沉降变形的影响，本文分别取压实度为90% ～98%，利用前面建立的有限元分析几何模型进行数值模拟分析，计算结果见表3和图3。

2.2 计算结果分析

由表3可知，当路基填料的压实度由90%增加到98%时，路基自身压缩沉降由7.34 cm减小到5.58 cm，降低了23.98%。由此可知，路基自身压缩沉降对路基变形的影响不容忽视，严格控制压实标准或适当提高现场压实标准，可有效降低因路基自重引起的压缩沉降变形。

表3 不同压实度条件下的路基自身压缩沉降

图3 高填方路基自身沉降与压实度变化关系

由图3可以看出，高填方路基自身压缩沉降值随压实度的增加而线性减小，相关系数 R=0.998 8，相关性较好。

3 结语

1)高填方路基自身沉降是其总沉降变形的重要组成部分，对路基变形的影响不容忽视。

2)施工中严格控制压实标准，可有效降低因路基自重引起的压缩沉降变形，从而达到降低高填方路基总沉降变形的目的。

3)高填方路基自身压缩沉降随压实度的增加而线性减小，相关性较好，可利用其回归公式预测不同压实度时的自身沉降。

［1］汤东，杨有辉.路堤高度与沉降变形关系的计算分析［J］.公路交通技术，2007(9):1-3.

［2］付魏，张冬青，李淼.公路路基填土沉降特性分析［J］.世界地质，2003，22(3):294-297.

［3］庞旭清.路基压实黄土力学特性三轴试验研究［J］.铁道建筑，2009(9):75-78.

［4］郑颖人，龚晓南.岩土塑性力学基础［M］.北京:中国建筑工业出版社，1989.

［5］郝文化.ANSYS土木工程应用实例［M］.北京:中国水利水电出版社，2005.