高填方路基涵洞在多场耦合下的特性研究

孟旖

（中铁第六勘察设计院集团有限公司 天津 300308）

1 概述

随着交通工程的迅速发展，道路成为贯穿工程的生命线，高填方路基的设计和施工也就成了目前关注的重点。对于高填方路堤涵洞的研究主要集中在非冻土区的路堤涵洞所受垂直土压力的大小、涵洞上覆荷载的减荷技术、涵洞变形等方面。在季冻区高填方路堤温度场引起的路堤形态改变与涵洞受力变形之间的关系等方面还有诸多待完善之处。冻土路基是在路基上部覆盖一层厚度1～5m的季节冻融层，土层在融化过程中会产生融沉变形，而冻结过程中则产生冻胀变形。

以承德市丰宁县高填方涵洞为依托工程，用ABAQUS软件对高填方路基进行为期一年的多场耦合模拟，对于季冻区高填方路基涵洞的受力行为提出新的研究理论。

2 有限元分析及结论

2.1 有限元模型的建立

路堤由土石混合填料组成，路基高度30m，根据当地的地质报告以及参考文献确定材料参数。

路堤边坡稳定性研究中主要考虑土体自重的影响，未考虑列车荷载对路基稳定性的影响。冻土路基发生冻胀融沉，土体的应力不断传递和分散就使得路基产生了不均匀的位移。

整体模型底部加固定端约束，路堤边坡加侧向约束，地表为自由面；模型中未加入不均匀沉降的因素，主要考虑季冻区土体的冻胀融沉对位移的影响。

2.2 多场耦合模拟过程

本节利用ABAQUS有限元计算软件模拟水分场、温度场和重力场对路基的共同作用，水分场中主要考虑水的相变潜热，模拟温度场时，是稳态分析过程，初始应力分布与初始饱和度形成之后，再进行瞬态分析。

2.3 多场耦合模拟计算分析

从第一年的8月开始到第二年的8月结束，进行了多物理场耦合的分析，即温度场、应力场和相变之间相互作用的模拟。

2.3.1 冷桥效应

“冷桥”效应主要指在建筑物外围结构与外界进行能量传导时，围护结构中的某些部位和其他部位的热传导系数存在差别，使得能量从某些部位能够快速的传递。对于高填方路基中的涵洞，在寒季出现冷桥效应，增加涵洞的受力，减少混凝土的使用寿命和影响涵洞和周围土体之间的相互作用，所以应该尽量避免冷桥效应的出现。

2.3.2 结合“冷桥效应”分析计算结果

图1距离涵顶不同位置处的应力值

图1 所示分别为距离涵洞顶部0m和0.83m处一年的应力值变化，可以看出0m处和0.83m处的应力值的趋势一致。12月以后，涵洞应力值减小，是由于温度逐渐降低，涵洞和填土中的水分发生相变，出现冻胀的现象，温度逐渐降低，涵洞发生了“冷桥效应”，涵洞自身的承载能力提高；3月以后，开始回暖，路基的融沉现象较为明显，填土进入融化状态，涵洞的“冷桥”作用消失，涵洞又开始承受上部体的重量，应力值逐渐增加。以上现象说明了涵洞在寒季会产生“冷桥”效应。

涵壁周围土体首先形成冻结圈，逐渐向路基内部延伸；在多场耦合计算的第150d左右，上部位置的路基填料产生冻结，逐渐形成冻结圈，大概经过90d的时间，形成最大冻结圈；又经过40d左右时间，土体逐渐融化，涵洞周围冻结层逐渐消失，再经历大约30d时间，冻结层彻底消失，进入融化状态。当外界温度低于路堤内部温度后，涵洞周围的路堤填料将通过涵洞使温度降低，温度低于填料冻结点之后出现冻胀现象，且随着外界温度的降低冻结层厚度逐渐增厚；当外界温度高于路堤填料冻结温度后，涵洞周围的冻结层迅速融化。

3 结论

经过研究可以发现，在冻土路基冻结期间，路基本体在涵洞周围处会形成冻结圈。涵洞发生了“冷桥”效应，涵洞自身的承载能力提高，从而涵洞计算出的应力值减小，提高了自身的承载能力，当温度升高时冷桥效应逐渐消失。但是在工程实际当中，应尽量避免冷桥效应的产生，防止工程质量受到影响。

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