路堤墙对山区高速公路路基沉降变形影响模拟分析

王立鹏，杜宇兵，马 全，赵 阳

（贵阳市交通基础设施建设服务中心，贵州 贵阳 550081）

引言

贵州，作为中国唯一没有平原支撑的省份，境内山川起伏，沟壑纵横，工程地质条件极其复杂。伴随着贵州交通建设的飞速发展，工程人也遇到了许多复杂的建设难题，其中软土地区路基的沉降变形便是一个常见的工程问题。

路堤墙是一种常见的边坡支挡构造物，在工程建设中，路堤墙有着防止路基边坡和地基滑动，确保路基稳定和收缩填土坡脚，减少拆迁占地的作用。但是路堤墙的设置对山区软土地区高速公路路基沉降变形有着怎样的影响，却鲜有人进行这方面的研究。本研究通过大型有限元分析软件COMSOL 建立起路基沉降计算模型，分析了路堤墙对软土地区路基沉降变形和承受荷载的影响，可为广大工程技术人员提供一些参考。

1 模型建立及材料参数

由于路基是纵向无限延伸的带状构造物，为了简化计算，可按平面问题进行处理[1]。本研究以贵州德江（合兴）至余庆高速公路K5+320～K5+500 段填方路堤为例，选取填方高度为3 m 的路基进行数值模拟计算，其边坡坡率为1∶1.5，路基宽度为26 m。为减小模拟计算的误差，路基下地基的计算深度取为27 m，边坡以外宽度取为15 m[2]。未设路堤墙的路基几何模型和设置路堤墙的路基几何模型分别见图1 和图2。本研究采取模拟实验的单一变量法，即除了在设置路堤墙的计算模型中增加路堤墙外，模型所有其他尺寸和参数都与未设路堤墙时保持一致，以减小误差，达到模型计算结果的真实可信[3]。

图1 未设路堤墙的路基几何模型

图2 设置路堤墙的路基几何模型

该模型计算参数选取自贵州德江某地实测土层，其土体类别、土体密度、含水率、回弹模量和泊松比见表1。路堤墙的设计荷载采用公路Ⅰ级，墙体采用C20片石砼砌筑。挡墙高度为6 m，地下埋置深度为0.6 m。该处地基土类型为粉质黏土，含水率为30%。表中：ρd 为干密度；w 为含水率；E 为回弹模量；nu 为泊松比[4]。

表1 土层材料参数取值表

2 边界条件与网格划分

为简化模型，本研究只考虑路基和挡墙的重力荷载，后期高速公路通车后的汽车动荷载暂不纳入考虑范围。由于地基两侧实际上是无限延伸的，故加载为对称边界。其它方向上，路基及挡墙表面均设为自由边界载荷[5]。

根据物理场进行模型网格的自由剖分，不设路堤墙的路基模型共剖分三角形网格415 个，见图3。设置路堤墙的路基模型共剖分三角形网格928 个，见图4。

图3 未设路堤墙路基模型网格划分

图4 设置路堤墙的路基模型网格划分

3 计算结果分析

3.1 路堤墙对路基竖向沉降变形的影响

由图5 和图6 可看出，在普通填方路基两侧设置路堤墙后，路基沉降变形明显减小。在路基表面，设置路堤墙后，其竖向位移比不设路基墙时减小了30 cm左右。可见路堤墙的设置对减小路基表面竖向沉降效果较为明显。

图5 路基竖向沉降变形云图

图6 竖向位移随路基深度变化曲线图

3.2 路堤墙对路基横向变形的影响

图7 为路基横向变形云图，图8 为路基坡脚处水平位移随路基深度变化曲线图。由图可看出设置路堤墙后，路基表面水平向位移与不设路堤墙时并无太大变化。但是在路基坡脚处，设置路堤墙后，路基坡脚下地基水平向位移明显减小，在地基下12～15 m 深度处，其水平向位移量可减小2 cm 左右。

图7 路基横向变形云图

图8 水平位移随路基深度变化曲线图

3.3 路堤墙对路基应力变化的影响

由图9 可看出，设置路堤墙后，路基下地基中所受应力明显减小。但是路堤墙本身所受到的应力很大，需要确保路堤墙有足够的强度承受土体压力。

图9 路基应力云图

由图10 可看出路基及路基下地基土体中所受到的应力呈先增大后减小的趋势，设置路堤墙对路基上部所受应力影响不大，但路基下地基土体中所受应力会明显减小，减小幅度最大可达到60 000 Pa 左右。由此可知，在软土地区设置路堤墙可有效减小软土地基所承受的路基荷载，有利于减小路基表面的沉降变形。

图10 应力随路基深度变化曲线图

4 结论

本研究以贵州德余高速K5+320～K5+500 段填方路堤为例，通过对设置路堤墙的路基和不设路堤墙的路基分别进行有限元模拟分析，对比了设置路堤墙和不设路堤墙时路基所受到的荷载应力和沉降变形。得出了在软土地区填方路基中设置路堤墙可以明显减小路基下软土地基中所受应力，减小路基表面沉降和路基坡脚处的侧向位移量的结论。因此在较大填方处设置路堤墙不仅可以收缩坡脚，减小征地拆迁，同时也可以作为减小软土地区路基表面沉降和路基坡脚侧向位移的一种手段。