基于有限元的压实度对路堤沉降的影响分析__集群

摘要：压实不仅可以提高路堤的强度，减小土体的渗透系数，而且可以减小填土路堤的沉降变形，增加其稳定性。通过用ANSYS软件对高填方路基沉降进行仿真分析，表明提高压实度可以改变路基土的压缩模量，对减小路堤的沉降有明显的效果，对工程实际具有指导意义。
关键词：压实度；路堤沉降变形；ANSYS软件
1 引言
近几年来公路的发展较快，但有些工程竣工通车后，在较短的时间内有的路段尤其是高填方路段即出现了不均匀和不同程度的沉降，该种现象表现为填方越高，沉降幅度越大，严重路段甚至造成交通中断。沉降的原因是多种的，但可以归纳为2大类：地基承载力不足引起的路基下沉；路基压实度满足不了自重应力的作用，产生了压缩性沉降。前一类原因引起的路基下沉属于地基处理的问题，我们主要是针对后一类原因引起的路基下沉进行分析探讨。
路基对压实后的填料的要求归结起来主要有两个，一是要满足路基的稳定性要求，一是要满足路基的变形要求。要满足稳定性要求，压实后的填料必须有足够的强度;要达到路基的变形要求，路堤填料需要达到一定的密实度并具有较小的压缩性。本文针对变形要求则主要分析了压实度对沉降的影响。
2 土的压实机理
填土层不同于天然土层。土体经过挖掘、搬运，原状结构已经遭到破坏，含水量也已变化，在堆填时土团之间必然留下许多大孔隙，使未经压实的填土强度低、压缩性大而且不均匀。遇水易发生塌陷、崩解等。特别是道路路堤若填土不实，在车辆动荷载的反复作用下，会出现不均匀或过大的沉陷、坍落甚至失稳，从而恶化运营条件，增加维修工作量。为此，在路基工程中，必须对其按一定标准进行压实。
压实机械对路基土的碾压实际上是改变其三相组成比例，使土颗粒重新排列，压实变密，增加单位体积内固体颗粒百分含量，减少孔隙率，短时间内得到新的结构强度。包括增强粗粒土之间的摩擦和咬合，以及增加细粒土之间的分子引力改善土的性质，最终使强度增加，稳定性提高。通过碾压使土体达到：
(1)连接的土粒重新排列靠近，密度增加，粘聚力增大。
(2)经压实使土粒外表水膜更薄增加内聚力，提高土体抗剪强度。
(3)通过压实将土体中连通孔隙的空气挤出，减小孔隙率，增大密度，提高土体的水稳定性，减少因冻胀引起的不均匀变形。
3 有限元模拟 
3.1 计算结构模型及材料参数
计算时以最高填方(8.0m)处断面为例(如图1)，由于结构对称性取一半进行分析，该路堤概化几何参数为：填高8m；顶面半宽6m；边坡坡比1:1.5；地基计算深度取为16m；地基计算宽度为3倍的路堤底面宽度，即54m。
模型中的约束情况，对地基底面施加竖直方向约束，对地基两侧施加水平方向约束。计算荷载取98KPa(考虑了汽车荷载作为动荷载)。 
 

路堤和地基均采用plane42单元，材料属性定义中选取非线性Drucker—Prager模型。路堤和地基材料参数见表1。有限元网格划分见图2。计算时选用牛顿—拉普森平衡迭代法计算，它强迫在某个容许范围内，在每一个荷载增量的末端，解答都能达到平衡收敛。 
 

3.2 ANSYS计算结果分析
不同的压实度下，路堤的沉降如表2、3所示。

图3为高填方路堤在自重荷载作用下提高压实度对地表沉降的影响，提高压实度后的路堤沉降较明显减小。压实度为90%时，路堤中心下的路基最大沉降为37.849cm；压实度为98%时，路堤中心下的路基沉降为36.867 cm，减小幅度为2.8%。 
 

图4为高填方路堤在特殊荷载作用下，压实度对地表沉降的影响。压实度为90%时，路堤中心下的路基最大沉降为50.119cm，压实度98%时为46.944cm，减小幅度达6.3%。 
 

可以看出，无论是在自重荷载下，还是在特殊荷载作用下，提高压实度对于减小路基沉降都能够取得较为明显的