交通荷载作用下软粘土路基沉降有限元分析

维普资讯 http://www.cqvip.com ２　０　０　８年２月　第３４卷第５期　山　西　建　筑　ＳＨＡＮＸＩ　ＣＨＩＴＥＣｎ　Ｅ　Ｖ０１．３４　Ｎｏ．５　Ｆｅｂ．２００８　・１・　・专家专稿・　文章编号：１００９．６８２５｛２００８）０５—０００１—０２　交通荷载作用下软粘土路基沉降有限元分析＊　刘胜群摘郑晓　要：通过应用Ｂｉｏｔ动力固结有限元程序对交通荷载作用下软土路基条件下的沉降进行了有限元模拟，揭示了沉降　过程中软土的动力固结规律，得出了比较接近实测值的计算结果，对于指导路基施工具有一定的意义。　关键词：交通荷载，软土，地基，沉降　中图分类号：Ｕ４１６．１　文献标识码：Ａ　引言　随着公路特别是高速公路的蓬勃发展，公路运输已成为运输　ｌ　—　Ｏｕ一　　（２）　￡￡ｚ　：一　　一　的主要力量。高速公路以其车速高、行驶安全、通运能力大、运输　成本低、货物耗损低而成为当前公路发展的首要目标。　目前，国内绝大部分省、市已经制定了高速公路发展规划，不　少省、市的高速公路正在逐步形成网络，建设地域已经由沿海、平　１．３土体本构关系　原等经济发达地区向内陆腹地、山区发展，在已建成的高速公路　的沿线及腹地，地价增值、地方税收增加、投资环境发生了翻天覆　Ｉ　一（　＋警）　我国软土分布十分广泛，海湾、河口、河流低阶地和湖盆底部　大都有软土堆积，因此，受到地理位置的限制，许多高速公路不得　软土常指河流中下游地区埋有的深厚第四纪松软覆盖层，其　假设初应变是由动孔压引起的，则［Ｄ］｛￡ｏ｝＝｛Ｕｇ，ｕｇ，０｝Ｔ　ｆ　＝Ｅｌｃｚ＋Ｅ２￣　一　Ｏ＂ｚ　＝Ｅ２ｃｚ＋Ｅｌ￡　一　（３）　主要特征表现为：天然含水率高、天然孔隙比大、强度低、灵敏度　高、透水性弱、压缩性大，因此软土地基具有承载能力低、沉降量　大，固结完成时间长等不利的工程特性，在软土地基上修筑高速　公路，一直以来都是公路建设中的一个技术难题。　在软土地基上修筑高速公路，需要解决的关键问题就是路堤　的稳定和变形，稳定分析是路堤设计中的重要工作之一，只有满　足路堤稳定条件才能进行路堤的变形计算。　【ｒ盥＝Ｅ３　其中’Ｅｌ＝　Ｅ２＝　Ｅｚ－　．Ｇ，　，　从目前的情况来看，路堤稳定的条件相对容易满足，但是高　速公路不仅要求路堤稳定，而且对于工后沉降也有很高的要求，　特别是需要严格控制工后不均匀沉降量和构筑物相邻路基的工　后沉降量。目前，软土路基的沉降多采用现行公路软基规范中推　荐的方法进行计算。近年来，有限单元法不仅可以考虑土体应力　应变的非线性特征，而且可以考虑侧向变形和水平向渗流对固结　文中以Ｂｉｏｔ动力固结理论的有限单元法为基础，用有限元法　对交通荷载作用下软土地基沉降进行分析。　ｆＥ。　＋Ｅ３　＋（Ｅ２＋Ｅ３）蕊￣ｔ２Ｕｚ一　ａｕ＋　＝一　＋Ｅｌ￣ｚ２ｔ　＃ｇａ：＋（Ｅ２＋Ｅ３）　一警＋警＝一（　＋　（４）　一（卺＋警）＝蔷（　＋￡２）　（５）　㈤　１动力方程的建立【１．２　Ｊ　１．１土体平衡方程　＋　＋　Ｉ　ａ盯　．ａｒ　ａ　．．　．　．。　…　由式（２），式（５）和式（６）得：　ｇｘ￣２ｕ－【　十　＋　１．２变形几何关系　ｔｏｇ十　ｚ　一＋ｇ　喜＝蔷（警＋　）　（７）　对这组微分方程，采用有限元法进行求解。　收稿日期：２００７—０９—１０　郑＊：江西省教育厅科技研究项目（项目编号：赣教技字［２００７１２１１号）　３４１０００　３４１０００　作者简介：刘胜群（ｔ９６６一），男，硕士生导师，副教授，江西理工大学经济管理学院，江西赣州晓（１９６３一），男，高级工程师，江西理工大学经济管理学院，江西赣州维普资讯 http://www.cqvip.com ・２・　．，）．　２第３　０　４卷磬　智　０　８　２年月　　山　西　建　筑首先在空间上划分单元并把计算域离散，然后求解时在时间　由于路基左右对称，所以可以取路基地基的一半进行分析，以路　上以步长离散。　堤中心为对称轴。计算模型网格划分如图１所示。　用以下位移模式建立节点位移与单元位移之问的关系：　Ｉ　＝　ｕｘｊ（￡）　．｛　＝　（￡）　（８）　【“＝　ＮＪ　（￡）　其中，　为形函数；“　，　，ｕｊ为节点Ｊ的位移及孔压。　将式（８）代入Ｂｉｏｔ动力固结方程组中，采用加权余量法，并采　用权函数为形函数　，则可得出如下方程组：　Ｉ　９　００ｏ＋３ｏ　０００　图１　有限元网格划分图　３．３计算结果与比较　（９）　ｆ［Ｍ］［艿］＋［Ｋ］［　］＋［Ｑ］［“］＝［Ｆ１］　．＜　．　如图２所示为路基中心线处有限元计算和现场实测的沉降　值随时间的变化曲线，可见，随着时间的增加，沉降量逐渐增大，　且计算值和实测值吻合较好，偏差不大，说明Ｂｉｏｔ动力固结有限　【［Ｑ］　［　］＋［Ｈ］［　］＝［Ｆ２］　其中，［Ｍ］为质量矩阵；［Ｋ］为刚度矩阵；［Ｑ］为耦合矩阵；　［Ｈ］为渗透矩阵。　为了考虑阻尼效应，在式（９）中的动力平衡方程中引入阻尼　项，则式（９）变为：　元程序能成功地运用于交通荷载作用下地基沉降分析。从计算　值来看，填土初期地基沉降量大，这是由地基饱和土的形状变形　引起的初始沉降造成的，而后沉降稳定增加，反映了地基的固结　沉降。当停止加载（填土）后，随着土体固结的逐渐完成，沉降曲　（１０）　『［Ｍ］［艿］＋［Ｃ］［　］＋［Ｋ］［　］＋［Ｑ］［“］＝［Ｆ１］　．　线慢慢变缓，并趋于稳定，说明沉降速率逐渐变小，路基向稳定的　方向发展。　【［Ｑ］　［　］＋［Ｈ］［　］＝［　］　将式（１０）写成增量形式后，可采用Ｎｅｗｍａｒｋ法进行数值积　分计算。　计算中，动力计算和孔隙水压力的产生和消散不是同步进行　的。动力计算分小时段进行，在每－－／］，时段中，假定孔隙水封闭　在土骨架中不发生流动；孔隙水压力的产生和消散分大时段进　行，即每隔一段时间再计算振动孔压的产生和消散。　３计算模型的建立　３．１计算参数取值　某高速公路路堤（基层）厚度为２　ｍ，堤顶宽度为１２　ｍ，坡度　为１：１．５；软土地基厚度为２０　ｍ。通过原状土样的各种土力学试　时间／ｄ　图２　沉降计算值与实测值比较　４结语　文中通过动力有限单元法对交通荷载作用下软土地基的沉　降进行了分析，结果表明：填土初期地基沉降量大，而后沉降稳定　增加，反映了地基的固结沉降。当停止加载（填土）后，随着土体　验得到模型计算参数，土的参数取值如表１所示。　裹１模型参数　【材料Ｉｙ　／ｋＮ・ｍ　ｌ　　ｎＩ　Ｉ　Ｒ，Ｉ　Ｃ／ｋＰａｌ　９／（　）１　Ｆ　ｌＧ～　Ｄ～Ｉ　固结的逐渐完成，沉降曲线慢慢变缓，并趋于稳定。　参考文献：　ｆ地基土ｆ　７．２　ｆ１５０．０ｆ　０　７５　ｆ　０．８５　ｆ　１８　ｆ　２５．０　１　０．１　ｆ　ｌ５　ｆ　０　３　ｆ　３．２计算模型　由于路基纵向尺寸远比横向尺寸大，从而可以把路基中的应　［ｉ］徐志英，沈珠江　地震液化的有效应力二维动力分析方法［Ｊ］．　华东水利学院学报，１９８１（３）：４４—４５．　２］徐志英，沈珠江．高尾矿坝的静、动应力非线性分析与地震稳　力状态近似简化为平面应变问题。计算中地基部分按多孔介质　［定性［Ｊ］　华东水利学院学报，１９８０（４）：１８—２０．　材料考虑，采用Ｄｔｍｅａｎ－Ｃｈａｎｇ模型做土层的固结分析。填土部　３］许智伟．谈公路软土地基处治方法及观测［Ｊ］．山西建筑，　分，由于其渗流作用对整个分析的影响不大，故未考虑。填土为　［分层填筑，每层厚度约为３０　Ｃ／ＩＩ，整个填筑过程在第４５０天结束。　２００５。３１（１２）：８２—８３．　Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　０ｆ　ｔｈｅ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ　０ｆ　ｓ０ｆｔ　ｃｌａｙ　ｓｏｉｌ　ｒｏａｄｂｅｄｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｒａｆｆｉｃ　ｌｏａｄ　ＬＩＵ　Ｓｈｅｎｇ－ｑｕｎ　ＺＨＥＮＧ　Ｘｉａｏ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ａ　ｓｏｆｔ　ｓｏｉｌ　ｒｏａｄｂｅｄ　ｕｎｄｅｒ　ｔｒａｆｆｉｃ　ｌｏａｄ　ｉＳ　ｓｉｍｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｂｉｏｔ’Ｓ　ｄｙｎａｍｉｃ　ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｐｒｏｇｒａｍ．Ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ　ｌａＷＳ　ｏｆ　ａ　ｓｏｆｔ　ｃｌａｙ　ｏｉｓｌ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｒｅｖｅａｌｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｖａｌｕｅｓ　ａｒｅ　ｆｏｕｎｄ　ｃｌｏｓｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｂ—　ｓｅｒｖｅｄ．ｗｌ１ｉｃｈ、ⅣｉＵ　ｂｅ　ｏｆ　ｉｍｐｏｒｔａｎｃｅ　ｉｎ　ｇｕｉｄｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｒｏａｄｂｅｄｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｒａ硪Ｃ　ｌｏａｄ．ｓｏｆｔ　ｓｏｉｌ。ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ，ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ