黄土路堤施工过程中的变形计算分析

黄土路堤施工过程中的变形计算分析
陈勇;张红
【摘要】在黄土地基上修筑路堤,研究路堤修筑后(过程中)沉降情况,在西宝公路
K81+940~K82+060段埋设了沉降杯,文章采用Duncan-Chang所建议的双曲线弹性非线性E-B模型开展路堤在施工过程中的变形计算分析.结果显示:路堤中部的沉降比与其同一高程处的垂直沉降大,这是因为路堤中部受到的应力比两侧的大.路堤沉降最大约为46mm,出现在路堤顶部以下某处.在整个施工过程中地基的变形占了整个路堤变形的绝大部分,这主要是因为地基土为天然土,它的密度比压实土低的多,其变形模量、泊松比都比压实土小.
【期刊名称】《内蒙古公路与运输》
【年(卷),期】2017(000)004
【总页数】3页(P16-18)
【关键词】公路工程;黄土;沉降比;双曲线模型;泊松比
【作者】陈勇;张红
【作者单位】西安市政设计研究院有限公司,陕西西安 710068;中交第一公路勘察设计研究院有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】T416
西宝高速公路位于陕西关中地区，属公路区划Ⅲ4区，沿线为黄土地区。

其基本断面形式为路幅宽26m，路堤边坡1:1.5，路堤填土高度为3m～10m，平均为
4.15m。

在黄土地基上修筑路堤，研究路堤修筑后(过程中)沉降情况，在西宝公路
K81+940～K82+060段埋设了沉降杯，埋设是从原地面开始的。

在原地面上共埋设了三个沉降杯，这样它们能充分反映填土荷载对地基的影响，此处路堤高度为4.16m。

观测段的路堤填土都是分层填筑的，各层松铺土层的厚度都在30cm左右，压实
后土层厚度在25cm左右。

用铲运机推运土料，用振动压路机和35t～50t轮胎压路机配合进行压实。

各层压实度和含水量都符合《公路路基施工技术规范》的要求。

THEPD程序是土体和混凝土结构物共同作用的平面应变FORTRAN通用程序，可以计算土石坝、地下连续墙(包括防渗墙)、地下廊道、道路路堤等建筑物和土体共同作用的应力、应变和位移。

程序中安排了五种力学模型，包括虎克定律为基础的E、u模型和E-B模型，清华大学建议的弹塑性模型和歌德曼提出的滑动面接触模型[1]。

所以程序可以对各种材料的建筑物共同作用进行分析研究。

程序中包含三
种单元类型，即常应变三角形单元、四结点任意四边形等参单元、一维接触面滑动单元(包括三结点和四结点两种)，边界条件的适应性好，使用方便。

程序可以模拟分期施工和加载或卸载的实际情况。

平衡方程按不平衡势能原理建立，可以减小误差，提高计算精度。

采用可以调整的微增量加载方法，使精度可以根据需要在网格确定后变化，计算采用一维存贮的直接解法。

计算中共划分了120个
单元，148个节点。

计算边界条件为：中心对称面各节点没有水平位移，底面和
左右两面系固定界面；表面自由且为透水透气边界；路堤与地基及填方中各填筑层之间的接触为连续接触且透水自由。

本文采用Duncan-Chang所建议的双曲线弹性非线性E-B模型[2]。

各种情况的
有限元计算结果均生成统一的数据文件(output.txt文件)，再借助Autocad绘图
软件绘制成曲线。

路堤在施工期受力条件是单一的，仅为路堤自重。

为计算路堤的压缩变形和地基的
沉降，需要知道路堤中和路堤底面上的应力分布。

对于路堤，可用简化计算方法，即路堤中任何一点因自重所引起的竖向应力均等于该点上面土柱的重量，可用计算。

故任意水平面上自重应力的分布形状与路堤断面形状相似。

在计算中，施工过程共分为四期，第一期9为基础土层的处理，第二期至第四期为路堤填筑[3]。

表1为
路堤曲型部位的水平位移，图1反映了在竣工时路堤的水平位移规律。

从图1、表1中可以看出，水平位移最大部分出现在坡脚下5m～10m处，此处
也是水平应力最大处。

由于路堤两边没有受到土体或其他结构物的约束，其变形为无侧限变形，而地基变形时则受到四周土体的约束，是有侧限变形，故路堤两侧也出现了较大的水平位移。

表2为路堤典型部位竣工后的垂直位移，图2反映了竣
工时路堤的垂直沉降规律。

从图2、表2中可以发现，路堤中部的沉降比与其同一高程处的垂直沉降大，这是因为路堤中部受到的应力比两侧的大。

从图中还可看到，在坡脚外3m左右，沉
降为0，然后地面逐渐隆起，主要是这部分地基土受到路堤土的挤压，又受到其外侧路基土的约束所造成的。

从图2还可以看到，路堤沉降最大约为46mm，但它
没有出现在路堤顶部，而是出现路堤顶部以下某处。

主要原因如下：
①由于施工是一个逐级加载的过程。

如果不考虑固结等时间因素对变形的影响，即假定变形在施工中瞬时完成，则下部结构的自重不影响上部结构的变形。

施工进行到什么高度，只有该高度以下已填筑土体来承担这部分荷载，对尚未填筑的上层土体没有任何作用，上层土体不受下层土体的影响。

所以，施工到某一高度，只有这个高度以下土重引起的位移发生，堤顶以上不再有荷载，也就不再有位移，故堤顶位移为零。

②由于上下层土体应力不同，下层土体已完成了部分固结，它的变形由两部分组成。

而上层土体还没有开始固结，它的变形仅仅只是压缩变形。

我们知道，路堤虽然经过压实，但由于土在搬运过程中和碾压的同时，破坏了原有的结构性和颗粒排列方
式，在外来压力的作用下，土颗粒挤密了，但不一定是最佳位置或最佳排列方式。

路堤填土在自重作用下，随着时间的推移，逐渐趋于最佳位置，只有调整到最佳位置后，变形才基本稳定。

所以新填土路堤自身的压缩变形是不可避免的，其变形量随着时间的增长而增长，但增加速率会越来越小，逐渐趋于稳定。

所以施工速度不能过快，因为如果施工速度过快，即使土的压实度很高，其工后还会产生一定量的变形。

③由于地基土是原状土、路堤土是压实土，其工程性质有所不同。

因此，路堤的变形模量较地基的模量高很多，所以路堤自身压缩变形稳定所需时间比地基沉模量降稳定所需时间要短。

也就是说，地基沉降快，路堤沉降慢，当土体中的一部分移动(或相对移动)时，必然要受到静止(或相对静止)部分相接触处的抗剪强度的阻抗，这种阻抗力使移动部分保持原来位置，于是土体的移动部分就把压力(部分或全部)通过土粒间的接触面传给土体的静止部分。

这种从移动部分把压力传给相邻静止部分的传递作用，称为土拱效应(或土拱作用)。

当这种土拱效应得到充分发挥时，移动部分的支撑将受到不变的压力。

此时，支撑顶部之土体可称为有土拱形成。

可以预见，即使竣工后相当长的时间内，这种土拱还会存在，而且会上移。

直至整个结构物变形稳定，拱才会消失。

那时，路堤的最大沉降量才会出现在路堤顶部。

④在施工期间引起路堤位移的最根本原因，是路堤有效应力的不断增加，除了填筑荷载的不断增加外，路堤在填筑和运行中，孔压发展是很重要的问题，孔隙水压力的产生和消散对路堤部位的有效应力也会产生影响。

对于路堤这类建筑物，是分若干次填筑而成的，其渗透系数的大小，不仅影响到孔压消散的快慢，而且影响到建筑物各填筑层的有效应力分布。

这说明路堤的位移不仅与孔压的消散程度有关，而且与孔隙水压力在空间和时间上的分布有关。

在某些情况下，渗透系数对路堤最终位移起控制作用。

渗透系数的增加，可使路堤最终位移和水平位移减少。

在竣工时渗透系数大的方案，竣工时孔压消散的较为充分，即竣工时沉降更接近终值，水平
位移也如此。

在整个施工过程中地基的变形占了整个路堤变形的绝大部分。

这主要是因为地基土为天然土，它的密度比压实土低的多，其变形模量，泊松比都比压实土小。

故提高地基土的变形模量，即在施工前进行地基处理，就可减小路堤在施工过程中的变形。

由于路堤施工是一个逐级加载过程，施工期的路堤沉降量与路堤填筑高度密切相关。

表3是施工期压缩沉降值现场所测数据与THEPD程序所计算数据对比。

可见，在施工过程中路堤的压缩沉降量随路堤填筑高度的升高而增大。

也进一步证明路堤有效应力的不断增加是施工期间引起路堤位移的最根本原因，THEPD计算程序在得
到合适的试验参数后，可以较好的预测在实际施工过程中路基压缩沉降的变化。

【相关文献】
[1]陈正汉,黄海,卢再华.非饱和土的非线性固结模型和弹塑性固结模型及其应用[J].应用数学和力
学,2001,(01):93-97.
[2]金莉.几种预测模型在高路堤沉降预测中的对比分析[J].西部探矿工程,2006,(04):234-235.
[3]杨重存.黄土高路堤及高路堑的稳定与变形性态分析与研究[J].东北公路,1998,(02):10-12.。