目前, 国内一些学者[1,2,3]对高路堤沉降变形进行过一些探索, 有的采用了改进的分层总和法来分析路堤的沉降;有的采用非线性有限元分析填筑体的变形等等。但不管使用哪种方法来计算填筑体的沉降, 都会带来较大的误差, 而有限元法方法计算填筑体的沉降能适应各种边界条件和几何形状的变化, 并能处理非均质材料。为了充分揭示路基填土组成、级配等对高路堤力学效应的影响, 本次研究结合一些相同的计算方式, 立足于同样的分析条件, 对典型的高填方璐堤断面开展多种因素的分析与对比, 并进行有效计算, 本次典型路堤断面采用的是20m高填方路堤。具体的研究内容如下:第一, 结合不同的试验条件展开对比分析研究;第二, 对比分析不同力学模型;第三, 在不同的密度条件下进行对比分析;第四, 对比不同科技的P5;第五, 最大的粒径展开不同对比;第六, 填料的差异对比。
按照TB10001—2016《铁路路基设计规范》的规定, 将研究对象概化为一典型计算模型, 该模型为20m高填方路堤, 如图1。
通过上述可以看出, 沿中轴对称性是概化模型的明显特征, 选取一半模型在堆对称条件下展开分析, 在分析过程中要考虑到模拟的建筑材料存在软弱地基、填筑材料不均等情况。在分析计算时, 完整的概化模型成为计算模型, 高度是40m, 顶宽26m, 底宽150m。
我们采用E-μ (Duncan-Chang) 模型对前2个计算模型计算, 这2个模型分别采用了饱和固结及非饱和固结两种计算方案。
前几个计算模型考虑了不同压实度、不同颗粒级配 (不同P5) 和不同最大粒径等几个系列, 每个系列均包含若干种不同计算方案。
不同压实度的三个计算方案分别为ρ=2.20、2.10、2.00g/cm3;不同颗粒级配 (不同P5) 的四个计算方案分别为P5=30%、40%、70%、80%;不同最大粒径的四个计算方案分别为dmax=30、40、50、60mm;填料不均时有1个计算方案;根据地基中软弱岩层的存在位置及厚度分布的不同做了2个计算方案, 概化模型使用的参数均由大型三轴试验或工程实践提供。
本研究进行了大量的不同工况和不同模型的计算分析, 限于篇幅, 以非饱和不固结快剪三轴试验所得的总应力强度参数计算的20m填方路堤为例, 各项力学参数见表1。
(1) 位移形变特点
通过计算位移形变场的结果, 可以分析出路堤位移形变场的具体特点如下:
(1) 断面呈现几何形状且在路堤有轻微沉降的现象, 沉降量最大的集中在中部。在位于路堤约2/3之处作为界限, 上部分出现水平位移的现象不明显, 下部分在临近台阶的位置会出现外鼓。 (见图2) 。
(2) 除了坡底以外, 路堤在垂直位移方面出现了路堤填筑主体的沉降现象。沿着路堤宽度的方向 (x方向) 的沉降量见图3, 垂直位移分量最大的沉降量达到8.79 mm, 位于路堤的中部, 宽度约4m并且随着两侧逐渐降低到5.09mm。
(2) 应力场特征
我们来分析路堤建筑体中关于垂直应力的一个大概分布情况。我们从图中可以看出, 垂直应力的分量最大是435.36kPa, 位于路堤的中底部位。通过图5, 我们可以看出水平应力的分布情况, 当水平应力最大的值是245.62kPa时, 出现在路坡坡底中间部位。第二, 通过图6, 我们可以看出最大主应力是435.36kPa时, 是出现在全断面的。这个张台下, 垂直应力风分量与最大主应力的量值和方向是保持一致的, 这就看出路堤的最大主应力是在路堤内部就是重力。第三, 通过图7, 我们可以看出路堤填筑体中的剪应力集中区, 位于建筑体的中底部周围, 这个部位达到了97.42kPa的最大值。
以压实度90.7%为例, 标准路基中线沉降及工后沉降计算成果汇总见表2。从表2得知, 路基沉降在施工期和施工后逐渐增大, 而施工后沉降与施工后沉降的比值随路堤高度的增加而减小。随着路基高度的增加, 工后沉降与工后沉降的比值趋于减小, 这是因为随着路基高度的增加, 路基自重应力增大。在自重作用下, 路基填料承受较大的预压应力, 固结度增大, 并进一步压实。
与施工期沉降量相比, 随着路基填土高度的增加, 在下一层填土前, 对路基填土层施加一定的附加荷载, 路基填土沉降趋于快速稳定。填料的徐变是沉降的主要影响因素, 使路基沉降的速度慢下来。路基变形大致有两种情况, 一种情况是在荷载作用后, 路基直接发生变形, 另一种情况是, 经过长期发展, 路基变形已经具有一定的循序渐进的应变特性。瞬时变形和蠕变变形是路基压缩变形两种常见情况, 它们在变形过程中遵循不同的规律。颗粒位移、孔隙体积减小引起了前者的产生, 应力传递引起了后者, 导致了颗粒角的破碎。
P5占30%的情况下, 由于本身土样性质差异较大, 与其它P5>30%的土样不同, 细颗粒含量一般大于粗粒土。因此, 有限元模拟与其他3组P5>30%的结果有很大的不同。虽然P5是30%的有限元模拟结果包含在表2中, 但考虑到P5=30%的土样与其他土样不同, 在分析以下结果时不考虑以下结果。
计算分析数据表明, 高路堤的沉降变形受粒度组成的影响:
第一, 设定P5高于40%的状态下, P5不断增加, 垂直位移分量 (v负向位移) 、水平位移分量最大值、最大位移量、坡顶最大垂直位移分量 (即坡顶表面最大沉降量) 出现了逐渐递减趋势, 可以看出随着位移量的递减P5是增加的。因此, 路堤的沉降变形是由于P5变小或者增大。当P5大于40%, 路堤的沉降变形量变小, P5则会越大。
第二, 最大粒径在不断增加的同时, 垂直位移分量 (负向位移) 、水平位移分量最大值、最大位移量、坡顶最大垂直位移分量呈逐渐递增趋势, 这就说明随着最大粒径的增加, 路堤发生沉降。
第三, 土石混合料粒度组成对路堤的稳定性造成的影响, 取决于其对土石混合料强度的影响。土料中的P5在大部分范围内会发生改变, 而最大粒径在30～60mm的范围内也会发生相应的变化, 这是由于表征路堤中应力分布计算结果与特征数据大致一样。由此可见, 石混合料的粒度组成不会对路堤填筑体内的应力分布状态产生影响。
在计算过程中, 不同压实度是由建筑材料的密度来赋予表面特征的。随着密度的不断增加计算结果的特征也会随之变化, 比如密度增加后, 出现路堤沉降和变形的量变化到最低, 包括垂直位移分量、水平位移分量最大值、最大位移量、坡顶最大垂直位移分量 (即路堤表面最大沉降量) 。密度增加的同时, 路堤内应力的各个誊正数据都是逐渐增加的, 这其中包括σy最大值、σx最大值、最大主应力、最大剪应力等, 可以看出, 路堤内应力分布状况的变化是随着密度的增加而不断恶化的, 计算结果也体现了密度变化过程中填筑体内没有出现屈服区。
将不同力学模型与不同试验条件的有限元对比分析得到的, 表征高路堤应力形变场的主要特征对比计算结果表明, 对于同样的土料采用不同的力学模型和不同的试验条件得到的结果具有一定差别, 并且有的数据差别可达到3倍以上。因此在具体工程的应用中一定要结合工程实际情况正确选择土体的力学模型, 并根据具体工况确定试验条件。
通过对20m全填高填方路堤的计算分析, 对不同计算模型, 不同P5含量、不同密度、不同粒度组成以及含均匀和不均软弱基础的高填方路堤的沉降变形规律研究, 分析揭示了不同高填方路堤的变形规律, 可以得出以下结论:
(1) 笔者在本文提到的E-μ (Duncan-Chang) 模型、施工分层模拟, 同时考虑地基的压缩变形和剪切变形的影响, 简单实用, 便于工程应用。
(2) 从总体上讲, 路基的最终沉降量随填筑高度的增加而增加, 产生沉降的主要原因是由于施工阶段高填方路堤自身的重量导致的沉降。在沉降中最不能忽略的因素是填方路堤高度超过一定高度。路基施工后的下沉和施工期的沉降相比, 是随着路基建筑高度不断增加而降低的。路基建筑高度不断增加是直接导致此类现象出现的原因, 这是由于后建筑的路基给先填筑的路基起到了堆载预压的影响。最终, 路基的最终沉降量是随着压实度来提高, 随之线性变小。在施工过程中, 可为了提高压实度的施工工艺, 一定要严格控制压实度, 可以采用提高压实度和增加填石含量的方法。此外, 当填筑速率或松铺厚度过大, 均会增大路堤本身沉降量。对于工程实践, 本文建议采用重型或冲击压路机碾压, 从而达到降低高填方路基总沉降变形的目的。
(3) 从路基横断面上的发生的沉降和变形来观察, 发生变形沉降的位置主要集中在路基中线处, 并且在此位置沉降量可以到达最大的值。但是, 从路基两侧的中线我们可以看到, 随着沉降变形在变小, 水平方向出现了明显的变形。可以说, 路基边坡表面的水平位移重点分布在约1/3及以上的位置, 随着不断增加压实度, 含水量在不断减少。
(4) 对于20m全填高填方路堤的情形, 其变形受填料的密实度、粒度组成、以及不同材料模型的影响。密实度越大, 路堤的沉降值越小, 路堤越稳定, 密实度越差, 路堤的沉降值也就越大。不同粒度下, P5越大, 路堤的沉降变形量越少, 稳定性越好。分析结果同时表明, 路堤填筑材料的粒径越大, 其沉降量也越大, 因而在路堤的填筑过程中应控制粒径的大小。对于填料不均的情形, 路堤的沉降规律比较复杂, 由于材料不均匀导致路堤出现大量的不均匀沉降, 因而应避免使用材料性质相差较大的填料。
摘要：采用大变形有限元及拉格朗日元法对高路堤进行详细的数值模拟分析, 分析不同计算模型, 不同级配、不同密度、不同粒度组成的高路堤的沉降变形特性, 从而确定不同填料不同形式的高路堤沉降变形发展变化规律。
关键词：沉降变形,高路堤,数值模拟
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