王立鵬，杜宇兵，馬 全，趙 陽

（貴陽市交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)服務(wù)中心，貴州 貴陽 550081）

引言

貴州，作為中國唯一沒有平原支撐的省份，境內(nèi)山川起伏，溝壑縱橫，工程地質(zhì)條件極其復(fù)雜。伴隨著貴州交通建設(shè)的飛速發(fā)展，工程人也遇到了許多復(fù)雜的建設(shè)難題，其中軟土地區(qū)路基的沉降變形便是一個常見的工程問題。

路堤墻是一種常見的邊坡支擋構(gòu)造物，在工程建設(shè)中，路堤墻有著防止路基邊坡和地基滑動，確保路基穩(wěn)定和收縮填土坡腳，減少拆遷占地的作用。但是路堤墻的設(shè)置對山區(qū)軟土地區(qū)高速公路路基沉降變形有著怎樣的影響，卻鮮有人進(jìn)行這方面的研究。本研究通過大型有限元分析軟件COMSOL 建立起路基沉降計算模型，分析了路堤墻對軟土地區(qū)路基沉降變形和承受荷載的影響，可為廣大工程技術(shù)人員提供一些參考。

1 模型建立及材料參數(shù)

由于路基是縱向無限延伸的帶狀構(gòu)造物，為了簡化計算，可按平面問題進(jìn)行處理[1]。本研究以貴州德江（合興）至余慶高速公路K5+320～K5+500 段填方路堤為例，選取填方高度為3 m 的路基進(jìn)行數(shù)值模擬計算，其邊坡坡率為1∶1.5，路基寬度為26 m。為減小模擬計算的誤差，路基下地基的計算深度取為27 m，邊坡以外寬度取為15 m[2]。未設(shè)路堤墻的路基幾何模型和設(shè)置路堤墻的路基幾何模型分別見圖1 和圖2。本研究采取模擬實驗的單一變量法，即除了在設(shè)置路堤墻的計算模型中增加路堤墻外，模型所有其他尺寸和參數(shù)都與未設(shè)路堤墻時保持一致，以減小誤差，達(dá)到模型計算結(jié)果的真實可信[3]。

圖1 未設(shè)路堤墻的路基幾何模型

圖2 設(shè)置路堤墻的路基幾何模型

該模型計算參數(shù)選取自貴州德江某地實測土層，其土體類別、土體密度、含水率、回彈模量和泊松比見表1。路堤墻的設(shè)計荷載采用公路Ⅰ級，墻體采用C20片石砼砌筑。擋墻高度為6 m，地下埋置深度為0.6 m。該處地基土類型為粉質(zhì)黏土，含水率為30%。表中：ρd 為干密度；w 為含水率；E 為回彈模量；nu 為泊松比[4]。

表1 土層材料參數(shù)取值表

2 邊界條件與網(wǎng)格劃分

為簡化模型，本研究只考慮路基和擋墻的重力荷載，后期高速公路通車后的汽車動荷載暫不納入考慮范圍。由于地基兩側(cè)實際上是無限延伸的，故加載為對稱邊界。其它方向上，路基及擋墻表面均設(shè)為自由邊界載荷[5]。

根據(jù)物理場進(jìn)行模型網(wǎng)格的自由剖分，不設(shè)路堤墻的路基模型共剖分三角形網(wǎng)格415 個，見圖3。設(shè)置路堤墻的路基模型共剖分三角形網(wǎng)格928 個，見圖4。

圖3 未設(shè)路堤墻路基模型網(wǎng)格劃分

圖4 設(shè)置路堤墻的路基模型網(wǎng)格劃分

3 計算結(jié)果分析

3.1 路堤墻對路基豎向沉降變形的影響

由圖5 和圖6 可看出，在普通填方路基兩側(cè)設(shè)置路堤墻后，路基沉降變形明顯減小。在路基表面，設(shè)置路堤墻后，其豎向位移比不設(shè)路基墻時減小了30 cm左右?？梢娐返虊Φ脑O(shè)置對減小路基表面豎向沉降效果較為明顯。

圖5 路基豎向沉降變形云圖

圖6 豎向位移隨路基深度變化曲線圖

3.2 路堤墻對路基橫向變形的影響

圖7 為路基橫向變形云圖，圖8 為路基坡腳處水平位移隨路基深度變化曲線圖。由圖可看出設(shè)置路堤墻后，路基表面水平向位移與不設(shè)路堤墻時并無太大變化。但是在路基坡腳處，設(shè)置路堤墻后，路基坡腳下地基水平向位移明顯減小，在地基下12～15 m 深度處，其水平向位移量可減小2 cm 左右。

圖7 路基橫向變形云圖

圖8 水平位移隨路基深度變化曲線圖

3.3 路堤墻對路基應(yīng)力變化的影響

由圖9 可看出，設(shè)置路堤墻后，路基下地基中所受應(yīng)力明顯減小。但是路堤墻本身所受到的應(yīng)力很大，需要確保路堤墻有足夠的強度承受土體壓力。

圖9 路基應(yīng)力云圖

由圖10 可看出路基及路基下地基土體中所受到的應(yīng)力呈先增大后減小的趨勢，設(shè)置路堤墻對路基上部所受應(yīng)力影響不大，但路基下地基土體中所受應(yīng)力會明顯減小，減小幅度最大可達(dá)到60 000 Pa 左右。由此可知，在軟土地區(qū)設(shè)置路堤墻可有效減小軟土地基所承受的路基荷載，有利于減小路基表面的沉降變形。

圖10 應(yīng)力隨路基深度變化曲線圖

4 結(jié)論

本研究以貴州德余高速K5+320～K5+500 段填方路堤為例，通過對設(shè)置路堤墻的路基和不設(shè)路堤墻的路基分別進(jìn)行有限元模擬分析，對比了設(shè)置路堤墻和不設(shè)路堤墻時路基所受到的荷載應(yīng)力和沉降變形。得出了在軟土地區(qū)填方路基中設(shè)置路堤墻可以明顯減小路基下軟土地基中所受應(yīng)力，減小路基表面沉降和路基坡腳處的側(cè)向位移量的結(jié)論。因此在較大填方處設(shè)置路堤墻不僅可以收縮坡腳，減小征地拆遷，同時也可以作為減小軟土地區(qū)路基表面沉降和路基坡腳側(cè)向位移的一種手段。