地基土性质对公路地面差异沉降影响分析

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摘要：本文以地基土性质为主要分析研究对象，通过有限元法对其对公路地面差异沉降影响分析知，地基变形模量是路基最终沉降量主要因素；地基变形模量小于20Mpa时，路基沉降量变化较敏感；对于亚粘土、亚砂土等承载力较低的地基，通过提高变形模量可有效减小低承载力路基的沉降量，对工程实际有一定的指导意义。

关键词：差异沉降，变形模量，有限元

Abstract: based on the analysis of the foundation soil properties as the main research object, by the method of finite element of differential settlement of highway ground impact analysis know, foundation deformation modulus is finally embankment settlement primary factor; Foundation deformation modulus less than 20 Mpa, embankment settlement quantity change less sensitive; For the clay, and sandy soil, low bearing capacity of the foundation, by improving the deformation modulus can effectively reduce the low bearing capacity of roadbed subsidence and the engineering has some significance.

Keywords: different subsidence, deformation modulus, finite element

中图分类号：P642.26文献标识码：A文章编号：

近年来，我国公路建设发展迅猛，在丘陵等地公路建设过程中，由于地形起伏大、构造复杂，路堤填筑较高，路基工程竣工后容易发生差异沉降。过大的路基差沉降使得路面结构发生开裂破坏，形成裂缝、错台等病害，直接影响路面结构使用性和耐久性，路基沉降控制是工程建设中的重要内容。因此，有必要对地基土性质造成公路路基差异沉降影响进行深入研究[1]。

一、路基差异沉降机理分析

1、土体的压缩性：地基和其上部填筑成的路基均由土体构成，地基和路基竖直方向变形即为沉降。而土体的沉降同土的压缩性能密切相关。土体的压缩性决定了路基稳定性，土的压缩性即土的变形性质，是土的工程性质中最重要的组成部分之一，与路基的稳定和正常使用关系密切。

2、土的压实性：在工程建设中，如公路修建中路基，为了改善这些土的工程性质，需要通过压实使土变得密实。这一过程是土颗粒重新排列压实变密，外部的夯压功能使土在短时间内得到新的结构强度，包括增强粗粒土之间的摩擦和咬合，以及增加细粒土之间的分子引力以改善土的性质。

3、差异沉降机理

公路路基沉降主要由两部分组成，即地基在路基自重作用下的固结压缩变形和路基本身的固结压缩变形。由于路基是分层施工的，根据应力扩散原理，路基上承受压路机的轮压作用最明显，可以认为已经得到很大程度的压实，而地基的压实效果不明显。路基的工后沉降量主要是地基土的沉降固结引起。

路基差异沉降分施工期沉降和工后沉降组成。施工期沉降是从路基开工到路基填筑完成时，其间产生的沉降。工后沉降是从路基填筑结束后，受土体自重、上部路面施工和行车荷载的影响，产生的沉降过程。引起路基差异沉降变形的因素很多，结合公路建设运行情况，造成差异沉降原因有：由于自重引起的天然地基的沉降、路基压实度不足引起的路基沉降、软弱土基引起的差异沉降、工后沉降等[2]。

二、有限元基本原理

有限元法是一种可以求解复杂工程问题的离散化的数值计算方法。它是对于理论推导无法解决、室内试验难以实施的工程问题进行“数值模拟”的手段[3]。

本文利用有限单元法将地基和结构作为一个整体来分析，将其划分网格，形成离散体结构，在荷载作用下算得地基和结构各点的位移和应力。该方法可以将地基作为二维甚至三维问题来考虑，反映了竖向和侧向变形的影响。它可以考虑土力应变关系的非线性特性，采用非线性弹性本构模型，或者弹塑性本构模型，有限元方法借助现代计算机技术，可以模拟土体复杂的本构关系和边界条件。可以考虑土与结构共同作用，考虑复杂的边界条件，考虑施工逐级加荷等等。

本文应用大型通用有限元分析软件ANSYS对安徽省某丘陵区公路路基的应力、边界条件以及荷载情况进行模拟分析，计算路基的差异沉降。

三、计算模型与沉降分析

1、模型假设

公路路基沉降主要由两部分组成：地基在自重应力及附加应力作用下的压缩变形；路基本身在自重应力作用下的压缩变形。路基顶面工后沉降为地结变形与路基自身压缩变形之和。

本文采用有限元方法模拟计算路基顶面最终沉降量，模型假设如下：按平面应变问题考虑进行二维有限元分析；地基土及路堤填土为弹塑性材料，土体本构模型采用Drucker-Prager模拟；地基与路堤接触面完全连续且不发生滑移；地基底面无竖向变形，地基侧面无水平方向变形；路堤荷载为一次性施加，不考虑固结沉降时间，只计算路基顶面最终沉降量

2、模型计算参数

根据安徽省某公路实际工程情况，对于不同地基、不同路堤填料，选择代表性的路基建立有限元模型，采用ANSYS有限元软件分析路堤顶面沉降变化规律，路堤填筑高度取值为2m，路基宽度为14m，边坡坡度为1∶1.5；地基宽度为5倍路基宽度，地基深度4倍路堤高度；地基土种类分别为：亚粘土、亚砂上、卵石土、碎石土、软质硬质基岩；路堤填料分别为：填土路堤，填石路堤，土石混填路堤。各种土参数见表1。

表1路基土性质参数

3、地基性质对路基沉降影响分析

为了研究地基土性质对路基沉降的影响，针对各种性质地基建立有限元路基模型，分别计算在填石路基、土石混填路基和填土路基的情况下，不同地基土性质下路基顶面最大沉降量，计算结果见表

表2 不同地基土情况下路基顶面沉降计算结果

图1沉降量随地基变形模量的变化曲线

分析表2与图1中不同地基土情况下路基顶面沉降计算结果有如下结果：

(l)在路堤填料相同的情况下，产生沉降量由大到小的顺序：亚粘土地基>亚砂土地基>卵石土地基>碎石土地基>软质基岩地基>硬质基岩地。该顺序与地基土变形模量由大到小的顺序相同，表明在地基土的几种性质中，地基变形模量对路基最终沉降量的影响作用最大。

(2)地基变形模量小于20MPa时，路基最终沉降量对变形模量的变化开始敏感。从沉降量随地基变形模量的变化曲线可以看出，随着地基土变形模量的降低，路基最终沉降量增长速率加快，地基变形模量小于10MPa时，变形模量降低10%，最终沉降量增加约20~40%，此时沉降量对变形模量的变化较为敏感。

(3)对于亚粘土、亚砂土等承载力较低的地基，提高其变形模量可以有效降低路基沉降量。亚粘上、亚砂土地基承载力较低，变形模量小于10MPa，路基沉降量对变形模量的变化较为敏感，对于这两种地基，变形模量提高20%，沉降量可减少10%~50%。亚粘土、亚砂土的沉降主要是发生在施工期结束后的固结沉降，路基稳定性受沉降影响较大，控制其沉降量的大小对总沉降控制具有重要作用。

四、结论与建议

本文通过对土体的压缩性和压实特性进行分析，系统研究了公路路基差异沉降机理，并通过有限元法对路基的应力、边界条件以及荷载情况进行模拟分析，计算路基的差异沉降，得出如下结论：

（1）地基土变形模量是造成路基最终沉降量的主要因素；（2）地基变形模量小于20MPa时，路基最终沉降量对变形模量的变化开始敏感；（3）对于亚粘土、亚砂土等承载力较低的地基，提高其变形模量可以有效降低路基沉降量。

因所研究课题本身的复杂性本文只对地基土性质进行了比较系统地研究，所取得的成果是有限的。因此，在今后的工作、学习中还有较多的问题需要进一步的研究和完善，如:路基沉降分析时采用的有限元模型有待于进一步完善，使其更加准确地模拟路基的实际状况；本文仅分析地基土性质对路基差异沉降影响，对路基压实度不足引起的路基沉降、软弱土基引起的差异沉降、工后沉降等有待进一步研究。

参考文献

[1] 陈谦应，蒋树屏，柴贺军等.山区公路路基稳定理论与实践[M].北京:人民交通出版社，2005.

[2]张永清.山区高速公路路基差异沉降特性与控制措施研究[D].西安:长安大学，2009.

[3]朱伯芳.有限单元法原理与应用.北京:中国水利水电出版社，1998.

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。