牛力強

(山西省交通科學研究院 黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，山西 太原030006)

0 引言

隨著經(jīng)濟全球化的進程加快，全球經(jīng)濟總量的60%均集中在沿海地區(qū)，其中包含大量的重化工和能源等產(chǎn)業(yè)，這些產(chǎn)業(yè)需要大片的土地．面對人口劇增、城市和工業(yè)用地需要加大、土地資源有限的局面，沿海城市通過吹填造陸的方式緩解城市建設(shè)用地緊張的問題［1-3］．

在軟弱地基上修建道路，首先要面臨的是地基在車輛荷載作用下的沉降、不均勻沉降，以及由此引起的路面結(jié)構(gòu)病害等問題． Sakai 等［4］和Samang 等［5］通過對日本某低路堤高速公路的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，該高速路正式運營3 年后，由車輛荷載引起的沉降量占其工后沉降總量的30%．孫立強等［6］通過現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)，天津港內(nèi)多條道路在投入使用3 年后道路的沉降量均超過了30 cm，并出現(xiàn)了嚴重的“波浪式”不均勻沉降現(xiàn)象．趙亮等［7］基于天津港道路“波浪形”不均勻沉降實測數(shù)據(jù)，采用PLAXIS 有限元軟件建立數(shù)值模型，分析了該不均勻沉降產(chǎn)生的原因，并提出采用格柵加固的方式減小路面不均勻沉降．

目前，道路工作特性方面相關(guān)研究主要以高等級公路為研究對象，港區(qū)道路設(shè)計也主要參考公路相關(guān)設(shè)計規(guī)范［8］． 但是，港區(qū)流動機械荷載遠較公路大，公路荷載較為確定，車輛荷載對土基工作區(qū)的影響深度也較為確定，因而對土基的壓實深度均有明確要求． 港區(qū)荷載如輪胎吊打支腿作業(yè)、集裝箱叉車、正面吊荷載已超過400 kN/輪［9］，遠大于公路車輛荷載． 在重載交通條件下，路基的工作區(qū)深度加大，造成通車后較短時間內(nèi)即出現(xiàn)路面開裂、卿漿等早期病害，從而加速了港區(qū)鋪面結(jié)構(gòu)病害的發(fā)生與發(fā)展，造成后期鋪面維修費用較大，港口道路工作特性與高等級公路必然相差較大．筆者依托交通荷載作用下港口道路現(xiàn)場試驗，采用有限差分軟件FLAC3D 建立數(shù)值分析模型，對交通荷載作用下港口道路工作特性進行系統(tǒng)分析．

1 現(xiàn)場試驗工況

現(xiàn)場試驗位于廣州南沙港一期工程2 號路，道路鋪面結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆混凝土．如圖1 所示，現(xiàn)場共設(shè)置6 個監(jiān)測點，分別位于板角、板邊和板中位置．現(xiàn)澆混凝土板尺寸為4．0 m ×4．0 m． 現(xiàn)場荷載試驗過程中，分別將拖掛車分別放置在試驗板塊的不同位置，如圖2 所示．試驗荷載值分別為拖掛車空載(T1)，拖掛車裝載30 t 集裝箱(T2)和拖掛車裝載60 t 集裝箱(T3)3 種加載工況．

道路鋪面結(jié)構(gòu)由上至下名稱及通過室內(nèi)土工試驗獲得的各層材料物理力學參數(shù)詳見表1．

圖1 土壓力盒布置及車輛荷載試驗Fig．1 Arrangement of earth pressure cells and vehicle load tests

表1 道路結(jié)構(gòu)各層材料物理力學參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of materials

圖2 不同荷位加載工況示意圖Fig．2 Schematic of loading position

2 數(shù)值建模分析

2．1 數(shù)值模型的建立與驗證

根據(jù)現(xiàn)場條件及表1 各結(jié)構(gòu)層參數(shù)，建立10．0 m×10．0 m×24．72 m 的道路拖掛車加載模型，鋪面結(jié)構(gòu)采用理想彈性模型，地基采用Mohr-Coulomb 模型，模型邊界采用固定位移邊界，并以T3 荷載工況進行加載．由于道路的現(xiàn)澆混凝土板并非為一整體，應(yīng)力在板塊與板塊間的傳遞存在折減現(xiàn)象．本文模擬中，加載位置板塊現(xiàn)澆混凝土板的回彈模量采用真實值，非加載板塊采用折減值，以實現(xiàn)板塊間應(yīng)力傳遞折減的模擬．考慮到港區(qū)道路拖掛車車速較慢(v ＜20 km/h)，數(shù)值模擬時將拖掛車荷載模擬為靜荷載．另外，以加載板板角位置為坐標原點建立三維空間直角坐標系，x軸以向右為正方向，y 軸以垂直紙面向里為正方向，z 軸以垂直向上為正方向．

2．2 模擬結(jié)果分析

基于板角加載工況，對加載板板角位置下地基中附加應(yīng)力、附重比、豎向應(yīng)變及側(cè)向位移進行分析．

2．2．1 附加應(yīng)力及附重比分析

圖3(a)為加載板板角位置下地基不同深度處附加應(yīng)力分布曲線．可以看出，附加應(yīng)力沿深度方向逐漸減小，在淺層地基中附加應(yīng)力在加載側(cè)有較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨深度的增加該現(xiàn)象逐漸消失．圖3(b)為加載板板角位置下地基不同深度處附重比分布曲線． 附重比沿深度方向逐漸減小，在深2．52 后附重比小于0．1．

圖3 地基中附加應(yīng)力及附重比分布曲線Fig．3 Distribution of induced stresses and ratio of induced stress to gravity stress at different depths

2．2．2 豎向應(yīng)變分析

圖4(a)為加載板板角位置下地基中豎向應(yīng)變沿深度分布曲線．可以看出，豎向應(yīng)變在地基各土層中均沿深度方向逐漸減?。?從中粗砂墊層進入細砂層時，豎向應(yīng)變小幅增加，而進入淤泥質(zhì)黏土層時則大幅增加，且沿深度方向減小幅值很?。畧D4(b)為加載板板邊位置下地基不同深度處豎向應(yīng)變沿水平位置分布曲線．整體上，淤泥質(zhì)黏土層中豎向應(yīng)變要比其他土層的要大．

圖4 地基中豎向應(yīng)變分布曲線Fig．4 Distribution of vertical strains

3 參數(shù)分析

3．1 不同荷位分析

對T3 荷載下BJ(S1)、BB2(S2)和BZ(S3)位置加載工況進行參數(shù)分析．

3．1．1 附加應(yīng)力及附重比分析

圖5 為S1 ～S3 加載工況附加應(yīng)力及附重比沿深度分布曲線．如圖5(a)所示，在地基淺層，S1工況下附加應(yīng)力值最大，S2 工況次之，S3 工況最?。S深度增加，附加應(yīng)力值快速減小，S1 工況的減小幅度最大，S2 工況次之，S3 工況最小，在1．32 m 深處開始S3 工況附加應(yīng)力值較S1 和S2 工況的要大，2．12 m 深處開始S1 工況的附加應(yīng)力值小于S2 工況的．如圖5(b)所示，附重比沿深度的變化規(guī)律與附加應(yīng)力相似，均約在深度2．5 m 處附重比減小至0．1．

圖5 地基不同深度處附加應(yīng)力及附重比分布曲線Fig．5 Distribution of induced stresses and ratio of induced stress to gravity stress along depth

3．1．2 豎向應(yīng)變分析

圖6 為S1 ～S3 加載工況豎向應(yīng)變分布曲線．淺層地基中S1 工況地基的豎向應(yīng)變最大，S2 工況次之，S3 工況最小;在深層地基中則相反．

圖6 豎向應(yīng)變分布曲線Fig．6 Distribution of vertical strains

3．2 不同輪壓工況分析

假設(shè)拖掛車接地面積不變，增加的荷載只引起輪壓的變化． 分別選取輪壓為0． 5，0． 7，0． 9，1．1，1． 3 MPa，對 不 同 輪 壓 荷 載 工 況 進 行 參數(shù)分析．

3．2．1 附加應(yīng)力及附重比分析

圖7 為不同輪壓工況下附加應(yīng)力及附重比沿深度分布曲線．可以看出，同一深度處附加應(yīng)力值隨著輪壓的增加而增加(圖7(a))． 同一深度處附重比隨輪壓增加而增加，各工況下附重比等于0．1 的深度分別約為1．85，2．10，2．30，2．60，3．0 m(圖7(b))．

圖7 不同輪壓工況下附加應(yīng)力及附重比沿深度變化曲線Fig．7 Variation of ratio of induced stress to gravity stress with depth under different loading conditions

3．2．2 豎向應(yīng)變分析

圖8 為不同輪壓荷載工況下豎向應(yīng)變沿深度分布曲線．可以看出，隨輪壓的增加，同一深度處的豎向應(yīng)變逐漸增大，且增幅有上升趨勢．

圖8 不同輪壓工況下豎向應(yīng)變分布曲線Fig．8 Distributions of vertical strains under different loading conditions

3．3 不同砂墊層工況分析

砂墊層厚度是港口地基設(shè)計中的重要參數(shù)，下面對不同厚度砂墊層工況進行參數(shù)分析．

3．3．1 附加應(yīng)力及附重比分析

圖9 為不同砂墊層厚度工況下附加應(yīng)力及附重比沿深度變化曲線．可以看出，在相同深度處附加應(yīng)力值隨著砂墊層厚度增加而減小(圖9(a))．在相同深度處附重比隨著砂墊層厚度增加而減小(圖9(b))．各工況附重比等于0．1 的深度均在2．5 m 左右．對于0．8 m 和1．2 m 工況，該深度已超出砂墊層底部，1．6 m 工況幾乎位于砂墊層底部，2．0 m厚工況則在砂墊層中．

圖9 不同砂墊層厚度工況下附加應(yīng)力及附重比變化曲線Fig．9 Variation of induced stress and ratio of induced stress to gravity stress under different thickness of sand cushion conditions

3．3．2 豎向應(yīng)變分析

圖10 為不同砂墊層厚度工況下豎向應(yīng)變沿深度變化曲線．可以看出，最大豎向應(yīng)變發(fā)生在淤泥質(zhì)土頂部，相同深度處豎向應(yīng)變隨砂墊層厚度的增加而減小，減小幅度呈減小趨勢，從1．6 m 增加到2．0 m 時，淤泥質(zhì)土頂部豎向應(yīng)變該變量較未到達1．6 m 前要小得多．

圖10 不同砂墊層厚度工況下豎向應(yīng)變分布曲線Fig．10 Distributions of vertical strains under different thickness of sand cushion conditions

4 結(jié)論

以廣州南沙港現(xiàn)場拖掛車荷載試驗為依托，采用FLAC3D 建立數(shù)值分析模型，通過與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)對比，驗證了模型及參數(shù)選擇的合理性．隨后對地基中的附加應(yīng)力、豎向應(yīng)變及側(cè)向位移等進行了系統(tǒng)分析，并對不同加載荷位、輪壓和砂墊層厚度工況進行了參數(shù)分析，主要得到以下結(jié)論:

(1)附加應(yīng)力在淺層地基中在加載側(cè)有較明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，隨深度的增加該現(xiàn)象逐漸消失．

(2)豎向應(yīng)變在各土層中均沿深度方向逐漸減?。倌噘|(zhì)土層中的豎向應(yīng)變值較大，且沿深度方向減小幅值較?。?/p>

(3)側(cè)向位移沿水平方向呈先增大后減小的變化規(guī)律，并在加載板一側(cè)達到最大值，沿深度方向呈先增加后減小的變化規(guī)律．

(4)板角加載工況為最不利荷位工況． 整體上，地基中的附加應(yīng)力、豎向應(yīng)變和側(cè)向位移，均隨著輪壓的增加而增大，隨著砂墊層厚度的增加而減?。?/p>

［1］ YAN S W，CHU J． Soil improvement for a storage yard using the combined vacuum and fill preloading method［J］． Canadian Geotechnical Journal，2005，42(4):1094 -1104．

［2］ 孫立強，閆澍旺，李偉．真空-堆載聯(lián)合預壓加固吹填土地基有限元分析法的研究［J］． 巖土工程學報，2010，32(4):592 -599．

［3］ 梅國雄，徐鍇，宰金珉，等． 真空預壓加固軟土地基變形機理的探討［J］． 巖土工程學報，2006，28(9):1168 -1172．

［4］ SAKAI A，SAMANG L，MIURA N． Partially-drained cyclic behavior and application to the settlement of a low embankment road on silty-clay ［J］． Soils and Foundations，2003，43(1):33 -46．

［5］ SAMANG L，MIURA N，SAKAI A． Long-term measurements of traffic load induced settlement of pavement surface in Saga Airport Highway，Japan［J］． Journal Teknik Sipil，2005，12(4):275 -285．

［6］ 孫立強，閆澍旺，徐余．軟土路基“波浪形”不均勻沉降及其機制分析［J］． 巖土力學，2011，32(S1):526 -531．

［7］ 趙亮，閆澍旺．吹填土地基道路工后不均勻沉降分析和加固措施研究［J］． 土木工程學報，2012，45(2):176 -173．

［8］ 張軍，申俊敏，甘甜，等．重交通荷載作用下港區(qū)地基工作區(qū)深度研究［J］． 巖石力學與工程學報，2014，33(S1):2942 -2949．

［9］ 中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計有限公司． JTS 1441—2010 港口工程荷載規(guī)范［S］． 北京:人民交通出版社，2010．