高速公路路堤不同填筑高度下的位移及应力分析

蓝英

摘要：文章以某地高速公路路堤填筑为研究对象，采用配制的改良土进行路堤填筑模拟分析，并研究了不同填筑高度下的路堤位移及应力变化规律。结果表明：（1）路堤水平位移沿中心两侧呈对称分布，从中心往两侧路肩方向水平位移依次增大，且路堤顶部位移随填筑高度增大，路堤填筑高度越大越不安全;（2）路堤顶部竖向位移最大，沿深度向下竖向位移逐渐减小，且路堤顶部中心最大竖向位移随填筑高度增大而增大，沿路堤中心向两侧竖向位移逐渐减小;（3）路堤坡脚位置处水平应力随路堤高度增加而增大，当填筑高度增大时应采取一定的坡面防护措施;（4）随着路堤高度的增加，路堤水平应力和竖向应力逐渐增大，且水平和竖向应力均随路堤填筑高度增大而增大。

关键词：高速公路;路堤;填筑高度;位移;应力;数值分析

0 引言

修建高速公路工程过程中，由于地表高差现象的存在，路堤填筑成了常见的施工内容。由于路堤不同填筑高度具有不同的力学行为，因此研究不同填筑高度下的高速公路路堤位移和应力变化规律对于指导设计和施工具有重要的作用。近年来，国内学者对此进行了一些研究，孙锴、陈超等人[1-2]以某高速公路煤矸石作填筑材料施工为研究对象，分析和模拟了3种不同压实度及3种不同填筑高度的煤矸石路堤的计算模型，计算了在不同压实度和填筑高度下路堤模型的竖向沉降、水平位移以及最大应力值，并对其变化规律进行了研究;刘金修、谢荣凯等人[3-4]采用有限元计算分析软件，建立拓宽路基不同填筑高度下的力学计算模型，系统分析路基在不同填筑高度下的力学特性，研究高速公路不同填筑高度对拓宽路基的竖向位移、水平位移、竖向应力、剪应力等力学行为的影响;夏英志、王志斌等人[5-6]以某高速路堤为例，采用有限元软件研究了不同填方高度、路基土压实度和不同填筑材料对高填方路堤差异沉降特性，得出改善路堤填土的力学性质是减小路基壓缩沉降非常有效的措施之一;商庆森、章定文等人[7-8]采用有限元软件研究了不同行车荷载、不同填筑高度下的路基变形和应力，研究表明超限车辆引起粉性土路堤的过大变形是导致半刚性沥青路面结构疲劳开裂的重要因素，提高粉土路基的压实度能有效地降低路基的孔隙比及变形，并改善路面结构的疲劳拉应力状况。本文主要以某地高速公路路堤填筑为研究对象，采用配制的改良土进行路堤填筑，重点分析了不同填筑高度下的位移及应力变化规律，研究结果可为类似工程设计和施工提供一定的参考依据。

1 工程概况

某高速公路工程地基为膨胀土素土，路基填料采用改良土填筑，改良土配方为石灰、煤矸石和膨胀土三者比例为1∶2∶10的混合料。路基顶部宽度设计值为25.5 m，路基填筑高度范围为5～20 m，坡率按照1∶1.5设计，施工时采用分层铺填碾压的方法，每次填筑高度为1.0 m。为了探究不同填筑高度下路堤的位移及应力变化规律，下文采用数值模拟的方法进行分析。

2 数值建模

图1所示为采用有限元软件ANSYS软件建立的数值模型图。根据实际工况，路基的顶部宽度取值为25.5 m，高度H取四种工况，分别为5 m、10 m、15 m和20 m，坡率为1∶1.5，施工时采用分层铺填碾压的方法。路堤坡底宽度对应依次为40.5 m、55.5 m、70.5 m和85.5 m，模型整体宽度取104 m，模型长度（垂直路基截面方向）取10 m，模型地基高度取20 m。除上边界外，其他边界均进行位移约束。

表1给出了石灰、煤矸石和膨胀土三者比例为1∶2∶10时混合料（即路堤）和地基原膨胀土的有关物理力学参数。

3 数值结果分析

3.1 位移监测分析

本节从水平位移和竖向沉降方面对路堤不同填筑高度时的变化规律进行分析。

3.1.1 水平位移监测分析

如图2所示，为不同路堤高度时的路堤上顶层水平位移曲线，规定路堤左半侧以位移向左为正，路堤右半侧以位移向右为正，反之为负。由图2可知，水平位移沿路堤中心两侧对称分布，路堤中心水平位移基本为0，往两侧路肩方向水平位移依次增大，且从路堤中心到两侧水平位移基本呈现出线性增大的趋势。当路堤高度H取5 m、10 m、15 m和20 m时，对应的路堤最大水平位移（即路堤顶部两侧边缘）依次为2.21 mm、4.18 mm、5.72 mm和6.80 mm，相比于路堤填筑高度为5 m时，填筑高度为10 m、15 m和20 m时路堤顶部最大水平位移分别增大了89.1%、158.8%、207.7%，路堤顶部位移随填筑高度增大，其增速逐渐减缓。

如图3所示，为不同路堤高度时的路堤与地基接触面水平位移曲线，同样规定路堤左半侧以位移向左为正，路堤右半侧以位移向右为正，反之为负。由图3可知，水平位移沿路堤中轴线两侧对称分布，路堤与地基接触面轴线中心水平位移基本为0，往两侧坡脚方向水平位移先增大后减小。当路堤高度H取5 m、10 m、15 m和20 m时，对应的路堤与地基接触面最大水平位移依次为1.98 mm、6.04 mm、10.43 mm和14.82 mm，相比于路堤填筑高度为5 m时，填筑高度为10 m、15 m和20 m时路堤与地基接触面最大水平位移分别增大了205.1%、426.8%、648.5%，路堤与地基接触面水平位移随填筑高度增大而增大。路堤高度H取5 m、10 m、15 m和20 m时最大水平位移发生位置依次为距离路堤中线18 m、23 m、27 m和30 m。对比图2和图3可知，路堤填筑对路堤与地基接触面影响更大。

3.1.2 竖向位移监测分析

图4为不同路堤高度时的路基中线沿深度方向的竖向位移曲线图，规定路堤位移以竖直向下为正，反之为负。由图4可知，路堤顶部竖向位移最大，沿深度向下，竖向位移逐渐减小。当路堤高度H取5 m、10 m、15 m和20 m时，对应的路堤顶部中心最大竖向位移依次为47.3 mm、68.0 mm、89.1 mm和110.4 mm，相比于路堤填筑高度为5 m时，填筑高度为10 m、15 m和20 m时路堤顶部中心最大竖向位移分别增大了43.8%、88.4%、133.4%，说明路堤顶部中心最大竖向位移随填筑高度增大而增大。此外，观察图4还可以发现，在路堤深度范围内，沿深度方向竖向位移减小速率较慢，而在地基深度范围内，沿深度方向竖向位移减小速率较快，基本呈线性减小。

图5为不同路堤高度时的路堤右顶点沿深度方向的竖向位移曲线图，仍然规定路堤位移以竖直向下为正，反之为负。由图5可知，沿深度向下，路堤右顶点竖向位移逐渐减小。当路堤高度H取5 m、10 m、15 m和20 m时，对应的路堤右顶点竖向位移依次为42.4 mm、60.1 mm、81.3 mm和103.3 mm，该处竖向沉降规律与图4相同。对比图5和图4可知，路堤中心沉降最大，路堤高度H取5 m、10 m、15 m和20 m时，路堤右顶点竖向位移同比路堤中心依次减小了10.4%、11.6%、8.8%和6.4%，说明沿路堤中心向两侧竖向位移逐渐减小，且路基填筑高度越大，路基整体沉降越均匀。

3.2 应力云图分析

3.2.1 水平位移云图

下页图6为不同路堤高度时的水平应力云图。由图6可知，不同路堤高度时，路堤中心水平应力小于同期其他部位，坡脚位置处水平应力随路堤高度增加而增大，因此当填筑高度增大时，应采取一定的坡面防护措施。此外，观察图6可以发现，随着路堤高度的增加，路堤水平应力逐渐增大，且同一水平位置上，路堤中线处水平应力大于两侧。

3.2.2 竖向位移云图

图7為不同路堤高度时的竖向应力云图。由图7可知，不同路堤高度时，路堤中心竖向应力沿路堤中轴线左右对称，沿路堤深度方向竖向应力逐渐增大，且竖向应力随路堤填筑高度增大而增大。

4 结语

本文主要以某地高速公路路堤填筑为研究对象，采用配制的改良土进行路堤填筑，重点分析了不同填筑高度下的位移及应力变化规律，得到以下结论：

（1）路堤水平位移沿中心两侧呈对称分布，路堤中心水平位移基本为0，往两侧路肩方向水平位移依次增大，相比于路堤填筑高度为5 m时，填筑高度为10 m、15 m和20 m时路堤顶部最大水平位移分别增大了89.1%、158.8%、207.7%，即路堤顶部位移随填筑高度增大，路堤填筑高度越大越不安全。

（2）路堤顶部竖向位移最大，沿深度向下竖向位移逐渐减小。相比于路堤填筑高度为5 m时，填筑高度为10 m、15 m和20 m时路堤顶部中心最大竖向位移分别增大了43.8%、88.4%、133.4%，说明路堤顶部中心最大竖向位移随填筑高度增大而增大。此外，沿路堤中心向两侧竖向位移逐渐减小，且路基填筑高度越大，路基整体沉降越均匀。

（3）路堤中心水平应力小于同期其他部位，坡脚位置处水平应力随路堤高度增加而增大，即当填筑高度增大时，应采取一定的坡面防护措施。此外，随着路堤高度的增加，路堤水平应力逐渐增大，且同一水平位置上，路堤中线处水平应力大于两侧。

（4）不同路堤高度时，路堤中心竖向应力沿路堤中轴线左右对称，沿路堤深度方向竖向应力逐渐增大，且竖向应力随路堤填筑高度增大而增大。[KG-1mm][XCW.TIF，JZ]

参考文献：

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