基于ABAQUS的高速公路路基沉降影响因素分析

谌 呈

(怀化市农村公路建设办公室， 湖南 怀化 418000)

0 引言

截至2021年，全国高速公路通车总里程已超16万km，稳居世界第一。然而，随之暴露出来的路基问题也变得更加严峻，高速公路路基过大的沉降往往会对路面结构产生较为严重的破坏，从而威胁公路的正常运营。

对此，许多学者采用有限元方法对路基沉降进行了相关研究：肖伦斌等[1]采用有限元软件对高填方高速公路软土地基进行了数值模拟，分析了路堤加载预压过程中地基土的变形和孔隙水压力的变化规律；王洪德等[2]利用ABAQUS有限元中三维立体模型对某高速公路软土路基分级填筑进行了模拟，指出软基填筑过程中，地基表面沉降呈“盆”状，且该工程地表模拟最大沉降为26 mm；蒋国敬[3]利用ANSYS大型有限元软件对重庆某高速公路片石压填地基沉降进了模拟，分析了路基极限承载力、变形模量和路基沉降在片石压填过程中的变化规律，并分析计算了路堤填土高度对片石压填地基沉降的影响规律；孔祥勋等[4]利用有限元和长期沉降经验公式，提出重载铁路路堤沉降预测模型，并对路堤年沉降量进行了参数分析；董天雄[5]利用FLAC3D有限元软件分别对不同剂量石灰改良红砂岩填料和水泥改良红砂压填料路基进行了模拟，指出改良红砂岩填料对减少路基沉降具有良好效果，且7%配比石灰改良土和水泥改良土沉降最小；吴俊[6]将地基与路基统一化为整体，利用ANSYS研究了高填方路基边坡坡度、宽度以及材料参数对沉降的影响规律；隗忠全[7]采用有限元分析软件，就填土高度、填料土石比、边坡坡度、地基处理方法对沉降的影响进行了敏感性分析，总结了不同参数下路堤沉降变形规律；罗婧等[8]利用有限元法研究了软土地基上填砂路堤的变形规律，总结出填砂路堤的竖向变形、侧向变形、基底竖向应力分布规律。单凌志[9]利用有限元模拟分析了压实不匀的高填方路基沉降特性，比较了欠压实区与正常压实区之间的差异沉降；李永刚等[10]利用有限元分析了路堤荷载下水泥土桩复合地基变形规律，指出桩长是影响地表沉降、地基土侧向变形的主要因素。

综上所述，目前利用有限元研究路基沉降大多集中于计算分析实际路基工程最终沉降，而对沉降的影响因素研究较少。因此，本文采用有限元软件ABAQUS对某换填地基沉降进行研究，分析了路堤填土弹性模量、地基土渗透性能对沉降的影响规律。

1 工程概况

某高速公路5标段位于湖南省东北部地区，全线采用4车道高速公路标准建设，路基宽度26 m，设计速度100 km/h。所经地带主要为丘陵和低山地貌，最大标高267.03 m，最低标高75.00 m，一般标高80～100 m，以白垩系红色砂岩、钙泥质粉砂岩和砾岩为主。地形起伏较小。项目区域光热充足，雨量充沛，无霜期长，春季多潮湿阴雨，夏季多暴雨高温，地表水发达，线路区域内不良地质与特殊岩土主要为软土，其厚度小，范围不大。因此该地区修筑路基时地基处理的方法一般为换填,即采用硬塑状粉质黏土分层回填至浸水线以上，再填筑路堤。本文有限元模拟时假定浸水线位于地基表面。

2 计算模型及参数设定

采用有限元软件对该高速某个典型换填路基沉降进行模拟。路堤填土总高度为6 m，边坡坡度1∶1.5，分3层填筑。为方便模拟，将路基作为轴对称结构，取一半进行研究，地基长度取60 m，厚度取10 m，如图1所示。对称面边界约束水平位移及转角，地基表面为排水边界，约束模型底边所有位移，全局网格划分尺寸0.2 m×0.2 m，路堤填土采用CPE4(4结点双线性平面应变4边形单元)划分单元；下部地基采用CPE4P(4结点平面应变4边形单元， 双线性位移， 双线性孔压)划分单元。在ABAQUS中设置6个分析步，每个分析步时间长度均为90 d，分别对应3级填土预压时长。每层填土之间采用ABAQUS中自带的生死单元法来定义荷载施加顺序。路堤填土采用摩尔库伦本构模型，地基土采用修正剑桥模型。参照该高速公路有关试验资料确定模型的计算参数，如表1、表2所示。

表2 修正剑桥模型参数材料类型泊松比λMe1Kk0/(m·d-1)地基填料(硬塑状粉质黏土)0.30.051.20.7650.012.16×10-3

表2中:λ为修正剑桥模型中塑性体积模量对数；K为多孔介质弹性对数体积模量，λ、K均根据现场地基土等向固结压缩试验求得；M为应力比，由工程现场测得的各土层的内摩擦角与黏聚力计算得到；e1为等向压缩固结曲线在e— lnp坐标系上lnp=0处孔隙比；k0为地基土渗透系数，通过室内渗透试验求得。

3 计算结果分析

3.1 路基填筑过程竖向位移分析

图2为路基填筑过程竖向位移云图。

由图2可以看出：路基总沉降由路堤本身沉降和地基沉降2部分组成。通过ABAQUS查询功能可知，路堤本身沉降较小，绝大部分沉降来自于地基沉降。填土2 m时，路基总沉降为62.37 mm；其中，地基沉降58.76 mm，路堤沉降3.61 mm。

(a) 填筑2 m

填土4 m时，路基总沉降为147.4 mm；其中，地基沉降139.5 mm，路堤沉降7.9 mm。填土6 m时，路基总沉降为240.7 mm；其中，地基沉降225.03 mm，路堤沉降15.67 mm。路基总体沉降呈中间大，路肩沉降小，考虑到路基的轴对称结构，可以看出路基沉降呈“凹”形。

3.2 弹性模量对沉降影响

我国相关规范[11]规定，高速公路修建过程中路床压实度应≥96%，路堤压实度应≥93%。压实度的大小，在土体上最直观的表现就是土体弹性模量的大小，本文在保持其他模型参数不变情况下，就不同弹性模量(20、25、30、35 MPa)填土对路基沉降的影响进行了探讨。

不同弹性模量填土路基的竖向位移云图、表面沉降以及弹性模量与路基沉降的关系分别如图3～5所示。

(a) 20 MPa

由图3、图4可以看出：随着填土弹性模量增大，路基沉降不断减小。弹性模量20 MPa时，路基沉降为240.7 mm；弹性模量25 MPa时，路基沉降为238.0 mm；弹性模量30 MPa时，路基沉降为236.1 mm；弹性模量35 MPa时，路基沉降为234.6 mm。通过ABAQUS查询功能发现，路堤填土弹性模量变化导致的路基沉降变化，主要是路堤本身沉降引起，且弹性模量变化引起的路基沉降变化量较小。从图5中可以看出，弹性模量与路基沉降间存在良好的线性关系，经拟合得到公式S=0.248 46-4.071 4×10-4E，R2为0.971 04，相关度较高，S为路基沉降，E为土体弹性模量。从该公式也可看出沉降与弹性模量存在良好的反比关系，从而为实际施工提供一定的参考。

图4 不同弹性模量填土路基表面沉降

图5 弹性模量与路基沉降关系

3.3 地基渗透性能对竖向位移影响

不同渗透系数计算路基沉降云图见图6，路基表面沉降曲线、渗透系数与路基中线沉降关系分别如图7、图8所示。

从图6可以看出：地基渗透系数k=1.35×10-4m / d时，路基填筑沉降量为178.5 mm；地基渗透系数k=2.70×10-4m / d时，路基填筑沉降量为207.1 mm；地基渗透系数k=5.40×10-4m / d时，路基填筑沉降量为225.2 mm；地基渗透系数k=1.08×10-3m / d时，路基填筑沉降量为233.2 mm；地基渗透系数k=2.16×10-3m / d时，路基填筑沉降量为235.0 mm；地基渗透系数小于5.40×10-4m / d时，路基沉降随渗透系数增大，大致呈线性增大趋势；当渗透系数>5.40×10-4m / d后，路基沉降随渗透系数增大呈增大趋势，但增大幅度明显下降。可见渗透系数对沉降的影响存在一个范围，渗透系数一旦超出此范围，沉降不再随渗透系数变化而变化，其原因可能与地基孔隙水压力变化有关，因此本文给出了不同渗透系数对应的地基孔压云图(见图9)。

(a) k = 1.35×10-4 m / d

图7 路基表面沉降曲线

图8 渗透系数与路基中线沉降关系

(a) k=1.35×10-4 m/ d

由图9可以看出：地基渗透系数k=1.35×10-4 m / d时，填筑完毕时地基孔隙水压力为57.60 kPa；地基渗透系数k=2.70×10-4 m / d时，填筑完毕时地基孔隙水压力为30.57 kPa；地基渗透系数k=5.40×10-4 m / d时，填筑完毕时地基孔隙水压力为11.73 kPa；地基渗透系数k=1.08×10-3 m / d时，填筑完毕时地基孔隙水压力为2.85 kPa；地基渗透系数k=2.16×10-3 m / d时，填筑完毕时地基孔隙水压力为0.376 3 kPa。渗透系数越大，填筑完毕时地基孔隙水压力越小，根据太沙基一维固结理论，土体沉降变形的本质为土体中孔隙水排出，孔隙被不断压缩的结果，孔隙水压力越小，土体越接近于稳定，渗透系数增大到一定程度，地基填筑完毕时孔压越接近于静水压力，路基沉降越趋近于稳定。

4 结论

依据某工程实例，采用有限元方法分析了换填路基填筑过程中沉降变化规律，主要结论如下：

1) 路基沉降随着路堤填土高度的不断增加，呈现不断增大趋势，且绝大部分沉降均来自于地基土体沉降，路基表面越靠近路肩边缘沉降越小，即沉降近似为“凹”形。

2) 弹性模量对路基总体沉降影响相对较小，其与路基沉降存在着良好的反比关系，二者近似符合公式S=0.24846-4.0714×10-4E。

3) 地基渗透性能对路基沉降产生着重大影响。渗透系数小于5.40×10-4m / d时，路基沉降随渗透系数增大，大致呈线性增大趋势；当超过该值沉降增大趋势变缓，其原因是渗透系数越大，地基孔隙水压力消散越快，路基填筑完毕时沉降越趋于稳定。实际施工过程中应尽可能增大地基土体的透水性，以减小工后沉降。

4) 实际施工过程中增大土体弹性模量来减小沉降并不经济，应当在满足规范前提下，着重对地基进行处理来减小沉降。