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新建及拓宽公路路堤挡土墙受力及变形有限元分析

2018-04-18  GXF360

0 引言

近年来,我国高速公路建设又进入了一个高速发展期。目前,我国大多数高速公路均为双向四车道设计,对快速增长的交通需求来说,这样的设计已无法满足通行需要。为了提高现有高速公路的通行能力,对其进行改扩建是普遍的方案。高速公路的改扩建受不同的地域、经济、技术等方面的制约,同时考虑对生态、环境等的影响,常采用路堤挡土墙的型式以保护路堤边坡,减少工程占地面积,有利于减少拆迁征地方面的困难。目前,对于拓宽高速公路路堤挡土墙的设计和计算尚无相应的规范,常参照新建高速公路路堤挡土墙的设计规范,然而与新建高速公路相比,拓宽高速公路的部分路基经过多年通行,已基本固结、沉降稳定,地基也已稳定,挡土墙设计时应充分考虑这些情形。此外,由于拓宽时需新筑一部分路堤,存在新老路基沉降差异的问题,在挡土墙设计时也需要考虑。然而,目前对拓宽公路挡土墙的设计尚缺乏专门的规范和标准,造成了此类挡土墙设计和施工存在盲目性、随意性等问题,给工程的安全带来一定的隐患。以某高速公路改扩建项目为例,采用ABAQUS有限元软件,对拓宽公路路堤挡土墙受力和变形特性进行了模拟,并与新建公路路堤挡土墙的模拟结果进行了对比分析,为今后已建高速公路改扩建项目路堤挡土墙设计提供了有益的参考。

1 有限元模型的建立

由于高速公路较长,在纵向上可以将三维空间问题转化为平面问题进行分析,故本次选取该高速公路试验段的桩号K36+717典型断面,几何模型如图1所示。采用ABAQUS有限元软件进行数值模拟,由于拓宽时是沿原公路两侧对称进行,本次模拟以老路堤中心线为界,取一半路堤宽度进行建模,路堤及地基土视为各向同性弹塑性体,均采用摩尔库伦模型进行模拟,新建和拓宽时的挡土墙采用同样的设计方案且均采用大刚度的线弹性模型进行模拟。模型的边界条件为:底部边界为固定边界,左右边界受水平约束,上部边界为自由边界。模型单元为CPE4R 单元。由于挡土墙采用片石混凝土,墙背回填砂性土,则墙与土体的摩擦角设定为18°,摩擦系数为0.315。挡土墙基础位于碎石土

图1 几何模型(单位:m)

中,基础与地基土摩擦系数设定为 0.5,墙顶与路堤土的摩擦系数为 0.4。各部分材料参数如表1所示。

表1 模型各部分材料计算参数

材料类型重度γ(kN/m3)弹性模量E(MPa)泊松比μ内摩擦角φ(°)粘聚力c(kPa)老路基19.1410.303820新路基19.1360.303510老路基下地基19.1160.301740新路基下地基19.1100.301535地基-118.0100.301035地基-219.1100.321644地基-320600.2817105挡土墙基础21.1500.30380挡土墙24.573000.25

2 计算结果及分析

2.1 路堤竖向位移

对新建和拓宽时路堤竖向位移和路堤顶面竖向位移变化进行有限元分析,结果如图2所示。

由图2可知:新建公路路堤在边缘处沉降较小,约10cm,在路堤中心位置沉降最大,约18cm,云图及沉降曲线呈“盆状”形态,呈现这一形态的原因是路堤和挡土墙的荷载传递到地基土,靠近中轴线部位路堤及地基土应力较大,沉降也较大,而路堤边缘受挡土墙及处理过的挡墙基础的影响,沉降较小;拓宽公路路堤沉降值均比新建公路时小,且在路堤边缘与挡墙背接触部位中上部处沉降最大,约4.8cm,在路堤中心位置沉降最小,仅约0.6cm,云图及沉降曲线呈“勺子状”形态,呈现这一形态的原因是老路堤及其下地基土已基本固结完成,沉降已稳定,拓宽部分路堤和挡土墙的荷载传递到两者下覆的前期未受荷载地基土时,拓宽部分路堤、挡土墙及地基土均发生固结沉降,导致该部分沉降较大。

图2 新建及拓宽时路堤竖向位移云 图及顶面竖向位移变化曲线

图3 新建及拓宽时路堤水平位移云图 及顶面水平位移变化曲线

2.2 路堤水平位移

对新建和拓宽时路堤水平位移和路堤顶面水平位移变化进行有限元分析,结果如图3所示。

由图3可知:新建公路最大水平位移位于挡墙下地基土中,约4.1cm,最小水平位移在路堤顶面中心位置,位移值为零,原因是路堤和挡土墙的荷载传递到地基土,并产生了附加应力,使路堤和地基土压缩,产生较大的沉降,并引起水平位移,竖向和水平位移两者基本同时变化,离路堤中轴线越远水平位移越大;拓宽公路水平位移有两部分组成,一部分为挡土墙下及前部地基土的水平位移,另一部分为加上新拓宽部分的整个路堤至挡土墙背的水平位移,两处的水平位移基本位于拓宽部分与老路堤的分界线外拓宽路堤一侧,最大水平位移出现在拓宽部分路堤顶面的中心线附近,约1.8cm,最小水平位移在整个路堤顶面中心位置,位移值为零,原因是老路堤及其下地基土已基本稳定,拓宽部分路堤和挡土墙的荷载传递到两者下覆的前期未受荷载地基土时,产生了附加应力,引起水平位移,离路堤中心线越远,在老路堤中水平位移线性增大,在拓宽部分呈先增大后减小的趋势。

2.3 挡土墙位移

对新建和拓宽时路堤挡土墙的竖向位移和水平位移及其变化进行有限元分析,结果如图4所示。

由图4可知:新建公路挡土墙沉降量为9.6cm,而拓宽公路挡土墙沉降量为4.5cm,新建公路挡墙沉降比拓宽时大2倍多,原因是老路堤及其下地基土已基本固结完成,沉降已稳定,而新建路堤及其下地基土在荷载作用下,会固结变形;新建公路挡土墙的墙顶的水平位移向路堤中心侧移动,为2.1cm,墙底的水平位移向背离路堤中心侧移动,为2.3cm,墙体发生倾斜,原因是数值模拟时设置土体与墙体的接触对土体偏移有影响,模拟时间是从墙后填土时分析,会对挡土墙墙踵产生压缩并转动,填土的水平土压力和竖向荷载会引起挡土墙转动;拓宽公路挡土墙的墙顶和墙底的水平位移均向背离路堤中心方向移动,分别为1.14cm和1.32cm,原因是挡土墙基础不均匀沉降造成挡土墙发生轻微转动,墙后填土的水平土压力推动挡墙平动。

  

图4 新建及拓宽时挡土墙位移云图及水平位移变化曲线

2.4 土压力

对新建和拓宽时挡土墙和路堤土体水平土压力及其变化进行有限元分析,结果如图5所示。

    

图5 新建及拓宽时挡土墙背后水平土压力云图及变化曲线

由图5可知:新建公路路堤在挡土墙基础以上,水平土压力随深度的增加而增大,在挡墙底与地基土接触部位,水平土压力大幅增加后迅速减小,原因是墙体受墙后土体的主动土压力和墙前土体的被动土压力的作用,在墙底与地基土接触部位受挤压,土压力大幅增加,土拱效应、挡墙与土体的接触作用、墙体附近土体摩擦等引起土压力迅速减小;拓宽公路路堤在挡土墙顶土压力较大,随深度的增加,土压力先减小,再增大,最后又减小的趋势,在基础顶面与主动土压力基本相等,原因是挡土墙绕墙顶转动,引起墙后填土不均匀沉降,进一步引起水平剪应力,形成土拱效应,随深度增加,挡墙下部位移大,下部土压力减小较上部快,先达到主动土压力。

3 结论

新建公路路堤在边缘处沉降较小,在路堤中心位置沉降最大,云图及沉降曲线呈“盆状”形态;拓宽公路路堤在路堤边缘与挡墙背接触部位中上部处沉降最大,在路堤中心位置沉降最小,云图及沉降曲线呈“勺子状”形态。新建公路最大水平位移位于挡墙下地基土中,最小水平位移在路堤顶面中心位置;拓宽公路最大水平位移出现在拓宽部分路堤顶面的中心线附近,最小水平位移在整个路堤顶面中心位置。新建公路挡墙沉降比拓宽时大2倍多;新建公路挡土墙的墙顶的水平位移向路堤中心侧移动,墙底的水平位移向背离路堤中心侧移动,墙体发生倾斜;拓宽公路挡土墙的墙顶和墙底的水平位移均向背离路堤中心方向移动。新建公路路堤在挡土墙基础以上,水平土压力随深度的增加而增大,在挡墙底与地基土接触部位,水平土压力大幅增加后迅速减小;拓宽公路路堤在挡土墙顶土压力较大,随深度的增加,土压力呈现先减小、再增大、最后又减小的趋势。

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