第三十九章：路堤固结沉降分析

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39.1简介

　　本章节介绍GEO5有限元-固结分析模块分析填筑路堤引起随时间变化的土体变形。目的是计算由孔隙水压力消散引起的路堤和底层土的变形。分析填筑路堤后某一时间的位移场和孔隙水压力场。

39.2任务输入

　　底层分别是是砂土，砂土上是4.5米厚的粘性土。路堤的横断面呈梯形，底部宽20米，顶部宽8.5米，高4米。

图39.1模型示意图

　　底层土和路堤的本构模型选择Mohr-Coulomb材料模型。

　　下表中列出模型参数-重度γ，杨氏模量E，泊松比ν，内摩擦角φ和粘聚力c。K_x,sat和K_y,sat代表水平和垂直完全饱和渗透系数。基于完全饱和土的假设进行数值求解。土壤的渗透系数近似值可查看帮助文档-F1。

表39.1岩土材料参数表

　　初始静态地下水位在地下1米。我们将研究路堤填筑7天，30天，1年和10年后计算位移场和孔隙水压力场。

39.3分析–建模

　　在[建模]工况阶段，进行项目设置、几何模型和材料参数的输入。有限元网格划分也在该工况下完成。填筑路堤与边界条件的设置在随后工况阶段[1]-[5]中进行。

39.3.1项目设置

　　在[建模]->【分析设置】界面，项目类型设置为平面应变分析，分析类型设置为固结分析。

注：为了显示所有计算的变量，我们还要勾选“详细计算结果”。此时，除了位移，孔隙水压力和流速外，程序还绘制了应力和应变分量及其他常量值。

图39.2【分析设置】界面

39.3.2几何建模

　　模型尺寸与土层间的多段线在[建模]->【多段线】界面输入。模型的水平方向范围设置为从-30到30米，深度（距多段线最低点）设置为5.5米。创建三条多段线。第一条用于定义路堤的形状，通过【坐标交互添加点】[-10,0]，[-4.25,4]，[4.25,4]和[10,0]来定义，第二条定位原始地形。本案例中，由坐标[-30,0]，[-10,0]，[10,0]和[30,0]的点定义。第三条分隔下部两层土。由点[-30,-4.5]和[30,-4.5]定义。

　　固结分析是由初始地应力分析和渗流计算共同控制。因此，我们需要输入标准应力分析中使用的材料参数和渗流参数。[建模]->【岩土材料】界面下输入材料参数。这里我们创建三种材料，均采用Mohr-Coulomb模型，并将表39.1的值赋值给各个模型。所有材料的剪胀角，ψ=0°。材料一旦创建，通过[建模]->【指定材料】他们的土层区域。

39.3.3有限元网格

　　由于模型的水平向很长，在模型边界附近不会发生明显的沉降，创建稀疏网格是合理的。进入[建模]->【线加密】，我们选择左右垂直边界，并将网格边长设置为2米，加密半径为20米。同样，底部边界处网格边长设置为2m，加密半径设置为6m。最后，在[建模]->【网格生成】中，我们将网格边长设置为1m并生成网格。最终的有限元网格显示如下图。

图39.3沿竖向两侧和底部边界“加密”有限元网格

39.4工况阶段1-初始地应力

　　第一工况阶段计算初始地应力和初始孔隙水压力分布。该阶段只有底层土处于激活状态，将路堤冻结。在【激活/冻结分区】界面定义。在【指定材料】界面中查看材料指定是否正确。在【地下水】界面设置初始地下水位，通过输入坐标为[-30,-1]和[30,-1]的两点来定义。在【线支座】界面定义边界条件。勾选“自动生成项目边界线支座”，支座设置如下。

图39.4自动生成的线支座模型边界

　　最后，在【分析】界面进行分析。得到下图中孔隙水压力分布。第一工况初始位移为零。

图39.5初始孔隙水压力分布

39.5工况阶段1-路堤施工与沉降分析

　　第二工况阶段，我们通过【激活/冻结分区】界面激活路堤区域来模拟路堤的施工。与只进行初始地应力分析的第一阶段不同，第二工况阶段要定义渗流边界。在【线渗流边界】界面定义。因为模型区域的地下水流入和流出不受阻碍，这里将所有边界条件设置为透水边界。在【分析】界面，我们将工况阶段时间设置为7天，运行分析。计算的沉降和孔隙水压力分布如下图所示。

图39.6路堤施工后7天的位移Z向（沉降）分布-变形网格

图39.7路堤施工后7天的孔隙水压力u分布-变形网格

　　显而易见，路堤下的孔隙水压力有所增大。这种孔隙水压力的增大是由路堤施工竖向应力增大导致的。增加的孔隙水压力将在后续工况阶段中消散，引起沉降，但不改变路堤施工引起的附加应力。

39.6工况阶段3至5–后续沉降分析

　　在随后的工况阶段3，4和5中，我们将计算路堤施工后30天，365天和3650天内的位移和孔隙水压力分布。几何形状，材料和荷载保持不变，我们保留工况阶段2的所有设置。在开始分析之前，我们指定相应的工况阶段持续时间。工况阶段的持续时间是累加的，因此我们将工况阶段3的持续时间分别设置为23天，工况阶段4为335天和工况阶段5为3285天。不同时间的沉降和孔隙水压力分布如下图。

图39.8路堤施工后30天的位移Z向（沉降）分布-变形网格

图39.9路堤施工后1年的位移Z向（沉降）分布-变形网格

图39.10路堤施工后10年的位移Z向（沉降）分布-变形网格

图39.11路堤施工后30天的孔隙水压力u分布-变形网格

图39.12路堤施工后1年的孔隙水压力u分布-变形网格

图39.13路堤施工后10年的孔隙水压力u分布-变形网格

39.7结论

　　工况阶段2-5的计算结果表明，孔隙水压力的消散基本上是在路堤建成后第一周发生的。下表列出了不同时间路堤沉降最大值。

表39.2不同时间路堤沉降最大值

　　从孔隙水压力分布来看，很明显，路堤建成1年后，地下水位达到初始水平。已发生孔隙水压力耗散，可认为已完成最终沉降。