李 衛(wèi)

(中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100083)

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動(dòng)載荷下過(guò)黃河大堤公路路基破壞機(jī)理數(shù)值模擬分析

李 衛(wèi)

(中電建路橋集團(tuán)有限公司，北京 100083)

采用FLAC3D三維數(shù)值計(jì)算方法，模擬了汽車動(dòng)載荷對(duì)過(guò)黃河大堤高速公路路面的動(dòng)力作用過(guò)程，分析了過(guò)黃河大堤公路路基的破壞機(jī)理，該研究結(jié)果為過(guò)黃河大堤復(fù)雜路基加固提供了依據(jù)。

公路路基，動(dòng)荷載，破壞機(jī)理，數(shù)值模擬

0 引言

汽車在道路上行駛，作用于路面上的作用力主要由兩部分組成[1]，一部分是由車輛自重構(gòu)成的靜載，另一部分則是汽車在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)荷載。汽車振動(dòng)荷載的產(chǎn)生與車輛本身和路面狀況兩方面因素有關(guān)。前人對(duì)于動(dòng)荷載下公路路基的破壞機(jī)理數(shù)值模擬研究做出了很多成果：劉升傳等[2]研究了軟土路基在動(dòng)荷載作用下的變形規(guī)律；張向東等[3]以動(dòng)三軸試驗(yàn)和數(shù)值模擬分析了風(fēng)積土路基在動(dòng)荷載作用下的變形特性；楊滕等[4]結(jié)合ABAQUS軟件對(duì)路基施工完成后的路基路面在行車荷載作用下的沉降變形情況進(jìn)行了模擬。但對(duì)于動(dòng)荷載下過(guò)黃河大堤復(fù)雜路基的變形及破壞機(jī)理數(shù)值模擬研究卻鮮有人報(bào)道，本文將根據(jù)黃河大堤地基土的特性，在施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)黃河大堤復(fù)雜路基土進(jìn)行調(diào)研，采用數(shù)值模擬分析等方法，針對(duì)工程實(shí)例，模擬其極限承載效應(yīng)，對(duì)動(dòng)載荷作用下過(guò)黃河大堤公路路基破壞機(jī)理進(jìn)行詳盡分析，并通過(guò)對(duì)比分析和綜合分析，獲得該段路基在動(dòng)載荷作用下的力學(xué)性能，為過(guò)黃河大堤復(fù)雜路基加固提供依據(jù)。

1 工程概況

107國(guó)道新鄉(xiāng)至鄭州高速公路K44+807～K44+941段與黃河北大堤相交，原黃河大堤構(gòu)成該段路基的一部分，而且為高填方段。由于大堤的修建標(biāo)準(zhǔn)與高速公路不一致，原大堤的填土密實(shí)度、承載力等不能滿足高速公路的要求；而且由于防汛等條件的限制原大堤不能挖開(kāi)按高速公路標(biāo)準(zhǔn)重新填筑，因此黃河大堤段公路路基如不進(jìn)行處理，高速公路修建完成后將會(huì)產(chǎn)生差異沉降，引起跳車及路面破壞，降低道路的使用質(zhì)量，影響行車安全。為確保K44+807～K44+941高填土段路堤的穩(wěn)定性，降低沉降量，該路段必須進(jìn)行加固處治。

2 計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，選用FLAC3D三維數(shù)值模擬軟件[5]，首先進(jìn)行靜力計(jì)算分析，為了加載方便，在該程序中選用了BRICK初始單元模型作為路面模型單元，選用TET單元作為路基以及壩堤的單元。再由初始單元模型組成基本單元柱體，由單元柱體組合成整個(gè)計(jì)算模型。

結(jié)構(gòu)計(jì)算模型及有限差分網(wǎng)格劃分如圖1所示。本計(jì)算模型中，在周邊及底部施加約束邊界。

2.2 計(jì)算參數(shù)

路面主要承受的外力為行車形成的動(dòng)載荷，在高速公路與堤壩交界處，雙向八車道均作用汽車動(dòng)載荷。根據(jù)規(guī)范，按8輛30 t載重車平行同時(shí)作用在計(jì)算剖面上，載荷集度為40 kN/m的情況考慮，動(dòng)載荷頻率30 Hz，動(dòng)載荷在單位剖面作用時(shí)間為0.13 s，動(dòng)載波形成正弦波，沿線路方向作用長(zhǎng)度為16 m，以觀察整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形情況。

如圖1所示的尺寸與原型尺寸一致，各層屬性計(jì)算參數(shù)與實(shí)際原型采用的參數(shù)保持一致，具體見(jiàn)表1。

表1 模型計(jì)算參數(shù)

3 計(jì)算結(jié)果及分析

該公路在雙向八車道同時(shí)作用動(dòng)載荷時(shí)為極限狀態(tài)，計(jì)算動(dòng)載荷作用后的結(jié)果。結(jié)構(gòu)縱斷面、橫斷面位移變形云圖如圖2，圖3所示。圖2，圖3都是利用FLAC程序計(jì)算汽車動(dòng)載荷過(guò)后的最終云圖，計(jì)算過(guò)程為大變形，各單元在計(jì)算過(guò)程中均經(jīng)過(guò)自動(dòng)重新調(diào)整，可見(jiàn)路堤填筑體作用載荷處變形明顯大于未作用載荷處，而且汽車荷載作用在公路路基與黃河大堤交界處對(duì)堤身的影響十分嚴(yán)重，說(shuō)明該處有較大的側(cè)向塑性擠出變形發(fā)生。

圖4～圖7為該橫縱剖面變形穩(wěn)定后X方向及Y方向的位移等值線圖，由圖4～圖7可見(jiàn)，載荷作用位置處以及路基與黃河大堤交界處X方向位移值相對(duì)較大，Y方向的變形主要位于載荷作用點(diǎn)處，最大變形量可達(dá)7.6 mm。從豎向位移變化來(lái)看，載荷作用點(diǎn)處位移最大，最大值為8.69 cm，然后沿著水平方向與垂直方向逐漸減小，堤身的變形值較小，只有在交界處有較大的位移，一般在6 cm～8 cm之間，說(shuō)明該處為應(yīng)力集中區(qū)，自公路路面到坡底都有發(fā)生破壞的可能，其位移矢量圖如圖8所示。在計(jì)算過(guò)程中考慮了路面的材料特性，所以限制了坡底在水平方向上的速度與變形。從變化曲線來(lái)看，路面的位移量最大，說(shuō)明此處是高應(yīng)力區(qū)。

由有限差分計(jì)算，通過(guò)命令HIS記錄下載荷作用點(diǎn)處的位移值，通過(guò)PLOT HIS 1 VS 2，顯示監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移(豎直向下)—時(shí)步曲線，見(jiàn)圖9。加載荷前位移很小，加載后隨著迭代的進(jìn)行，位移迅速增大，最終均趨于穩(wěn)定。

如圖10所示為塑性區(qū)圖，大部分為拉伸破壞與剪切破壞，主要位于載荷作用點(diǎn)處以及路堤與黃河大堤結(jié)合處等應(yīng)力集中區(qū)。

通過(guò)以上分析可知，路堤未作處理時(shí)，整個(gè)結(jié)構(gòu)的變形值較大，以側(cè)向擠出變形為主；路基載荷作用點(diǎn)處變形值明顯高于非作用點(diǎn)處；路堤與黃河大堤結(jié)合處為應(yīng)力集中區(qū)，變形值較大。

4 結(jié)語(yǔ)

采用動(dòng)載作用下的FLAC3D三維數(shù)值模擬計(jì)算方法，分析研究過(guò)黃河大堤公路路基破壞機(jī)理，模擬了汽車動(dòng)載荷對(duì)高速公路路面的動(dòng)力作用過(guò)程，得出了如下結(jié)論：在沒(méi)有采取任何加固措施的情況下，由于黃河大堤的整體強(qiáng)度不足，在汽車動(dòng)載作用下，其水平變形、豎向變形值均較大，其中豎向變形最大達(dá)到8.69 cm，路堤與黃河大堤結(jié)合處為應(yīng)力集中區(qū)。對(duì)行車安全和堤身的穩(wěn)定性將造成嚴(yán)重的威脅，必須采取相應(yīng)的加固措施。該研究結(jié)果為過(guò)黃河大堤復(fù)雜路基加固提供了依據(jù)。

[1] 曹春陽(yáng)，賈艷東，孫榮書，等.道路車輛荷載特性及其對(duì)路面的作用分析[J].遼寧工學(xué)院學(xué)報(bào)，2006,26(2)：115-117.

[2] 劉升傳，曹 淵，楊志文.動(dòng)荷載下軟土路基變形規(guī)律研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2011(5)：22-26.

[3] 張向東，李 旭，劉家順，等.動(dòng)荷載作用下風(fēng)積土路基振陷變形[J].公路交通科技，2011(12):39-43.

[4] 楊 滕，張 嫻，韓 波.基于ABAQUS動(dòng)荷載作用下路基沉降數(shù)值模擬分析[A].2013年2月建筑科技與管理學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C].2013:31.

[5] 劉 波，韓彥輝.FLAC原理、實(shí)例與工程應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社，2005：7-14.

The numerical simulation analysis on the failure mechanism of dynamic load under Yellow River levee road sub-grade

Li Wei

(ChinaElectricPowerConstructionRoadandBrigdeGroupLimitedCompany,Beijing100083,China)

Using the FLAC3D numerical simulation calculation method,this paper simulated the dynamic effect process of automobile dynamic load to Yellow River levee highway pavement,analyzed the failure mechanism of Yellow River levee highway sub-grade,the researched results provided basis for Yellow River levee complex sub-grade reinforcement.

highway sub-grade,dynamic load,failure mechanism,numerical simulation

1009-6825(2016)29-0160-03

2016-08-10

李 衛(wèi)(1978- )，男，高級(jí)工程師

U416.1

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