路堤沉降及压实度变化规律的有限元分析

路堤沉降及压实度变化规律的有限元分析

发表时间：2017-12-11T16:07:55.390Z 来源：《基层建设》2017年第24期作者：刘冠钊[导读] 摘要：路堤是许多交通设施的基础，而路基沉降和变形问题是诱发各种交通建设质量通病的一个重要而不可忽视的因素。因此对路堤基沉降变形规律的研究就显得尤为重要和迫在眉睫。本文通过对路堤填筑过程进行渗流应力耦合模拟，分析了高填方路基沉降变形规律及压实度变化规律。以期为类似工程提供参考。

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摘要：路堤是许多交通设施的基础，而路基沉降和变形问题是诱发各种交通建设质量通病的一个重要而不可忽视的因素。因此对路堤基沉降变形规律的研究就显得尤为重要和迫在眉睫。本文通过对路堤填筑过程进行渗流应力耦合模拟，分析了高填方路基沉降变形规律及压实度变化规律。以期为类似工程提供参考。

关键词：路堤；沉降变形；压实度；规律

1 引言

填土被广泛用于路堤、堤坝、渠道和地基工程，填土的质量指标主要用压实度表示。在路堤施工中，如果填土工程的压实度达不到标准，对路堤而言，将产生过大的工后沉降，导致路面开裂，致使路面结构早期破坏，大大影响了路堤的使用寿命。因此，路基压实可增加路基的强度及稳定性，并可降低工程后期的路基沉降量。为了探寻填方路堤在压实度以及沉降量受填筑路堤高度的影响特点，文章进行了以下研究。

2 计算模型及边界条件

GeoStudio是一套专业、高效而且功能强大的适用于地质工程和地质环境模拟计算的仿真软件。本研究就是通过采用GeoStudio有限元软件，对路堤填筑过程进行应力-渗流耦合模拟，获得路堤和地基的应力应变分布规律，进而研究路堤沉降和压实度在各种工况下的变化规律。

依据地质勘测资料，地表存在约12m深的粘性土，之下为岩基，基岩的变形远小于地基粘土，其变形可以忽略。因此路基以下的地基深度取12m，表层3m为坡积粘土，之下9m为残积粘土。路堤填筑之前地下水位位于地下2m处。地基表面从堤脚向两侧延伸宽度为35ra。按照双向四车道路基宽度设计标准，不同高度路堤的堤顶宽度一般为26m。堤高8m以内的路堤采用一级1：1.5的坡比；堤高大于8m的在8m处设置2m宽的平台，平台以下采用1：1.75的坡比。

按照分析方案，分别采用高6m、8m、12m、16m和20m的路堤建立模型（初始压实度都采用93%），研究不同路堤高度下完工时和路堤沉降稳定后的路堤沉降规律和各层压实度变化。分析时每层的填筑厚度为1m，每3d填筑一层，接着填筑下一层直至路堤顶面。对于16m和20m路堤，若采用3d填筑1m的施工速度进行模拟，由于施工速度较快，孔隙水压力来不及消散，且路堤较高，填到顶面完工时的抗滑安全系数小于1，即路堤会失稳，计算所得的变形分布规律也出现异常，因此最终采用8d填筑1m的填筑速度进行模拟。

所建立的计算模型如图1所示（图中为路堤高16m）。地基底面边界为x和y双向约束；不透水边界。地基左右两侧为x方向约束，允许竖向自由沉降；地下水位以下设置为已知水头边界条件。地基表面和路堤表面都为自由排水边界。整个路堤和地基剖分为四边形或三角形网格，网格尺寸约1m。

3 不同高度路堤的沉降变化规律

软件计算结果分析表明，填筑完工时，沉降量最大值都出现在路堤轴线、距堤基约1/3至1/2堤高处。在沉降量最大值周围，沉降量按椭圚形等值线向外逐渐递减，如图2所示，图中为完工时16m高路堤沉降量（m）等值线图。路堤的高度越大，完工时路堤的最大沉降量也越大。

当路堤沉降稳定时，不同高度的路堤的堤身沉降量的分布规律与完工时类似，但沉降量更大。沉降量最大值都出现在路堤轴线、距堤基约1/2堤高处。在沉降量最大值周围，沉降量按椭圆形等值线向外逐渐递减，如图3所示，图中为沉降稳定时16m高路堤沉降量等值线图。路堤的高度越大，沉降稳定时路堤的最大沉降量也越大。

通过分析高填方路堤计算过程中的沉降变化，还发现，随着路堤填筑的进行，路堤沉降最大值点在横断面位置并不固定。当路堤高度处于较低（4ra和8m）位置时，沉降量出现两个对称的极值，分别在路堤两侧距坡面一定距离、距地基表面约1/3填土高度处。当路堤高度较高（＞12m）时，沉降量最大值出现在路堤轴线距地基表面约2/5堤高处。图4为16m高路堤在不同填筑高度（4m、12m）时的沉降量（m）等值线图。由图可知，完工时，随着层高的增大，路堤的沉降量逐渐增大。

当沉降稳定时，路堤的最大沉降量出现在路堤轴线、距地基表面约1/2堤高处。其它高度路堤的沉降量随路堤填土高度的变化情况与16m路堤类似，填土高度较低时出现两个对称的沉降量极值，填土高度较高时出现一个位于路堤轴线上的沉降量最大值。且沉降量极值的位置随路堤填土高度的增大及路堤的不断固结变形而上移。

图5为路堤的最大沉降量随路堤高度的变化曲线。由图可知，无论完工时还是沉降稳定后路堤的最大沉降量都随路堤高度的增大而增大。沉降稳定时的最大沉降量大于完工时的最大沉降量值。

4 不同高度路堤的压实度变化规律

由图6可知，完工时，压实度随着层高的增大逐渐变小，即最底层的压实度增大最多，最高一层的压实度增大最少。这主要是由于上层土的自重对下层土的压实作用及自然沉降作用的时间效应所致。由于越底层的路堤土施工早、上覆土压力大、作用时间长，压实度增长多；而越高层的路堤土刚填筑完成、上覆土压力小、作用时间段，其压实度増长低。

如图7所示，当堤髙较低（6m至12m）时，压实度增量随着层高的增大而增大；当堤高较高（16m至20m）时，压实度增量随着层高的增大先增大而后逐渐变小，在5m高时压实度达到最大值。当堤高较小时，由于地基的变形使堤体发生水平位移，且由于孔隙水压力不能及时消散、上部土体对下部土体的最终作用有限，造成下部的土体的压实度低于上部。当堤高较高时，较低位置（低于5m）受地基的影响和最终孔隙水压力影响较大，因此，随位置的增大，压实度增量增大；但当位置较高（高于5m）时，主要受到上覆土层的自重作用，因此随位置的升髙，填土的压实度增量逐渐减小。

图8为整个路堤压实度增量平均值随路堤高度的变化曲线。由图可知，无论是完工时还是沉降稳定后，压实度增量平均值都随着路堤高度的增大而逐渐增大。说明路堤越高，整个自重越大，最终对路堤的压实度的影响越大。