不同工程条件下新老路基不协调变形特征有限元分析

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1、116科技研究城市道桥与防洪2014年1月第1期不同工程条件下新老路基不协调变形特征有限元分析余海洋(郑州市市政工程勘测设计研究院，河南郑州450052)摘要：新老路基不协调变形是路基拓宽工程病害的最根本原因，充分掌握不同工程条件下不协调变形的特征是路基拓宽工程设计和新老路基接合部处治的基础。运用有限元软件，建立模型对各种不同工程条件下新老路基不协调变形的特征进行有限元仿真分析并得出结论。研究成果对道路拓宽工程中新老路基结合部处理有一定借鉴意义。关键词：拓宽工程；不协调变形；新老路基；工程条件；有限元仿真分析中图分类号：U416．1文献标识码：A文章编号：1009—7716(2014)O

2、l一叭16—04板壳结构、空间应力分析、非线性问题、动力分析0引言及流体力学问题等方面的成功应用，使有限元法随着国民经济的飞速发展，交通需求量也在的内容越来越丰富。急剧增加，我国很多道路的交通量己经达到饱和。本文选用美国HKS公司开发的ABAQUS程为了提高道路服务水平，对原有道路进行拓宽改序，ABAQUS的非线性分析功能具有世界领先水造势在必行。在公路拓宽改建工程中，必定存在新平，受到世界上许多著名公司、大学和研究部门的老路基相互作用的问题，由于新老路堤结合部位青睐，它可以进行结构的静态和动态分析，具有丰的固结时间差异，导致不协调变形的产生，使结合富的单元模式，如杆、梁、钢架、板壳、实

3、体、无限体部出现纵向裂缝，进一步发展会引起路堤失稳和元等；可以模拟广泛的材料性能，如金属、橡胶、塑滑坡。因此，拓宽工程中如何控制新老路基间产生料、钢筋混凝土、岩石和土壤等。的不协调变形问题已成为公路改扩建过程中的一1．2计算模型基本假设及计算流程个重要研究课题。1-2_1计算模型基本假设要有效控制老路基问产生的不协调变形，必由于道路为条形结构物，其空间应力分析可须清楚不协调变形的特点。经研究发现在不同拓简化为平面应变问题，故分析中采用ABAQUS单宽条件下不协调变形有着不同特征，且构成不协元库中的平面应变孔隙水压力单元4PE4P。考虑到调变形的各组成部分计算相当复杂，涉及到新老道路拓宽问

4、题的影响因素比较复杂，为计算简化，路基的共同作用、路基及地基的固结沉降和工后特作如下假定：变形、不同土质条件等lll。这些因素很难通过纯理(1)按照平面应变问题进行考虑，进行二维有论解来考虑，而有限元法可以考虑复杂的边界条限元分析。件和模拟材料的非线性以及状态的非线性，故本文(2)土体为弹塑性材料，采用修正的D—P模型通过ABAQUS有限元分析软件对拓宽路基不协调进行模拟。变形进行不同工程条件仿真分析，试图寻找不协调(3)新老路基结合部处治较好，不会因稳定性变形的基本特征，从而为工程设计提供理论依据。不足而出现滑移，接触条件为完全连续。(4)老路基和地基的初始应力场由老路基和地1有限单元

5、法模型基的自重荷载产生。1．1有限单元法(5)边界条件：地基底面两个方向均为约束，有限元法[21是根据变分原理求解数学物理问地基宽度外侧水平向约束，如双侧拓宽则进行对题的一种数值计算方法。随着计算机的发展，该方称性分析(路堤中心线处加对称约束)；地基宽度法已逐步取代昂贵的结构模型试验，成为结构分外侧及地表为透水边界，地基底面为不透水边界。析中的一个最为有效的方法。尤其是有限元法在1．2．2计算流程收稿日期：2013—09—26模型的计算流程如下：作者简介：余海洋(1980一)，男，河南信阳人，工程师，从事道(1)将新老路基单元均杀死为空单元，对地基桥工程设计工作。2014年1月第1期城市

6、道桥与防洪科技研究117部分施加重力，实现地基在自身重力作用下的地压平衡；(2)将老路堤转化为实体单元，施加重力，得到在老路基自重荷载作用下的应力场；(3)保持原模型和网格划分不变，重新进行计算。将上步获得的应力场作为初始条件施加到模型中，将新路基单元杀死为空单元，对老路基和地基施加重力，实现在老路基和地基重力作用下的图2拓宽宽度对新路顶面不协调变形的影响地压平衡；(4)模拟施工工程，当拓宽到某一层时再将该由图1、图2分析可知，随着拓宽宽度的增加，单元转化为实单元，并施加重力，每步按照增量迭不协调变形逐渐增大，当拓宽宽度为4m时，老路代法计算；得到施工结束后路堤顶面的沉降；堤顶面不协调变

7、形的最大值为11．2em，新路堤不(5)计算施工完成后路堤顶面的沉降；协调变形的最大值为0．3em，而当拓宽宽度增加(6)整理沉降数据，总结不协调变形特征。到15m时，老路堤顶面不协调变形的最大值增加2拓宽方式和拓宽宽度对不协调变形的影响为21．3em，新路堤顶面不协调变形的最大值也增加为1．8cm。当拓宽宽度由4m增加到10m时，实际拓宽工程中，需要拓宽的路堤宽度是由老路基顶面的不协调变形增加了7．4em，而由10m具体的交通规划