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        基于ABAQUS軟件對(duì)路基拓寬沉降規(guī)律的分析

        2018-08-31 05:34:42新疆新紀(jì)元公路設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司楊靜
        中國(guó)公路 2018年15期
        關(guān)鍵詞:拓寬新舊單側(cè)

        文/新疆新紀(jì)元公路設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司 楊靜

        工程概況

        新疆某主干道路原為雙向四車(chē)道,路基半幅寬度為13m,路基高4m,通行能力和使用質(zhì)量都已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足當(dāng)前交通需求。因此對(duì)其加寬拼接,改造為雙向八車(chē)道,新路基半幅寬度增加8m。根據(jù)以往路基工程經(jīng)驗(yàn)表明,若舊路基加寬后處理不當(dāng),會(huì)導(dǎo)致路面開(kāi)裂、路基沉陷等現(xiàn)象。

        數(shù)值建模

        ABAQUS是一種將偏微分方程(組)離散化的數(shù)值求解方法,ABAQUS功能強(qiáng)大,內(nèi)置各類(lèi)材料的本構(gòu)模型、強(qiáng)度失效準(zhǔn)則,包括線(xiàn)彈性模型、Mohr-Coulomb模型、Druker-Prager模型、Cam-Clay模型、滲透材料模型等。ABAQUS既可以模擬材料結(jié)構(gòu)線(xiàn)性變化,又可以模擬復(fù)雜的非線(xiàn)性問(wèn)題,解決一些復(fù)雜的工程問(wèn)題。

        地基土、路基土模擬主要借助ABAQUS軟件內(nèi)置的Mohr-Coulomb模型,假設(shè)路基為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)且足夠長(zhǎng),舊路基下的地基沉降穩(wěn)定,地基土、新舊路基采取四邊形模擬單元。模型原有路基半幅寬13m,新路基半幅寬擴(kuò)大了8m,邊坡坡度、路基高度的幾何模型分別設(shè)計(jì)為1∶1.5、4m。模型的最大模擬深度設(shè)置為-60m,為了保證模擬的準(zhǔn)確性,路基寬度模擬邊界增加至實(shí)際路基寬度外側(cè)60m處。為了求得模型初始應(yīng)力場(chǎng)分布,將模型運(yùn)算到舊路基平衡狀態(tài),然后對(duì)模型填土荷載逐級(jí)加載,土體材料參數(shù)如表1所示。

        差異沉降特性分析

        路基土層的物理屬性屬于顆粒、水、空氣的三相綜合體。高速公路路基土體受到混凝土路面的擠壓應(yīng)力,當(dāng)路基土層長(zhǎng)期受壓后,釋放出土層內(nèi)部的水、空氣,最終導(dǎo)致路基后期出現(xiàn)顯著的變形沉降。路基土層的碾壓方式選為分層碾壓施工,一般而言,通過(guò)壓路機(jī)的頻繁碾壓,可以保證路基的壓實(shí)度,但在實(shí)際施工中發(fā)現(xiàn)地基壓實(shí)的效果并不明顯。

        圖1 路基豎向位移示意圖

        圖2 路基豎向應(yīng)力示意圖

        圖3 路基水平位移示意圖

        表1 路基土體材料參數(shù)

        如圖1所示,拓寬前,舊路基中心線(xiàn)處出現(xiàn)了最大豎向位移,最大豎向位移沉降分布形態(tài)為半盆形,拓寬后最大豎向位移呈倒鐘形分布,主要出現(xiàn)在新路基一側(cè)。

        如圖2所示,路基在進(jìn)行拓寬施工前,原始路基的最大豎向壓力主要集中于地基上層面,進(jìn)一步分析可知,其豎向應(yīng)力的大小與地基深度大小成反比關(guān)系,拓寬后,豎向應(yīng)力的最大值呈現(xiàn)明顯增大趨勢(shì),在新鋪設(shè)路基底層中心處出現(xiàn)了最大豎向應(yīng)力值。

        如圖3所示,路基拓寬前地基水平位移峰值出現(xiàn)在舊路基正下方,水平方向位移基本上為零,路基拓寬后,水平位移峰值出現(xiàn)在新鋪設(shè)路基坡腳下邊緣。在新舊路基接觸處出現(xiàn)了臨界狀態(tài),距離舊路基越近,發(fā)生水平位移的程度越小,位移值越小,距離新路基越近,其水平位移值越大。

        路基變形影響分析

        單側(cè)加寬對(duì)路基變形的影響。依據(jù)工程實(shí)際,對(duì)模擬方案為填方舊路基+單側(cè)填方新路基拼接,其中路基單側(cè)加寬寬度取值分別為4m、8m、12m、16m。路基加寬到4m、8m、12m、16m時(shí),最大豎向沉降值分別為12.1mm、21.4mm、27.0mm、30.2mm。綜合分析,隨著路基寬度增加,路基豎向沉降也隨之增加,路基擴(kuò)寬后對(duì)原始地基產(chǎn)生了不均勻荷載,沉降數(shù)值的分布規(guī)律呈現(xiàn)出由路基中心向外先增大后減小的趨勢(shì),且隨路基寬度的增加,沉降極值逐漸靠外。

        圖4 加寬大小對(duì)路基沉降的影響

        圖5 不同加寬與路基表面最大差異沉降變化

        圖6 不同加寬對(duì)基底沉降的影響

        兩側(cè)加寬對(duì)路基變形的影響。由于路基為對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu),所以模型取一半計(jì)算,兩側(cè)加寬時(shí)每側(cè)加寬的寬度為2m、4m、6m、8m。

        如圖4所示,兩側(cè)路基加寬后,原有路基中心的沉降越來(lái)越明顯,路基加寬至4m、8m、12m、16m時(shí),路基中心豎向沉降值分別為2mm、4.5mm、6.3mm、7.7mm,拓寬寬度的增幅與沉降增加的差異程度沒(méi)有明顯的比例關(guān)系。拓寬越大,路基中心沉降越大,隨路基加寬越來(lái)越大沉降增幅逐漸減小。

        如圖5與圖6所示,兩側(cè)不同拓寬寬度與單側(cè)加寬時(shí)路基表面及基底的沉降曲線(xiàn)均類(lèi)似,從路基中心向外表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)。隨拓寬值加大,沉降較大的區(qū)域有向外側(cè)邊緣發(fā)展的趨勢(shì)。單側(cè)和雙側(cè)加寬拓寬道路的不同之處是:

        若采用兩側(cè)路基加寬方案,新舊路基差異沉降少,當(dāng)前實(shí)際施工中,為了保證道路兩側(cè)的受力均勻,通常會(huì)采用兩側(cè)加寬路基的方案,路基兩側(cè)均加寬后,路基整體對(duì)原有路基附著力提高,新舊路基結(jié)合為一個(gè)整體,呈現(xiàn)整體性的沉降,故新舊路基之間差異沉降較小。從建造成本來(lái)分析兩側(cè)加寬,一是施工難度加大,二是運(yùn)營(yíng)與施工成本加大。

        結(jié)語(yǔ)

        拓寬后最大豎向位移呈倒鐘形分布,主要出現(xiàn)在新路基一側(cè)。拓寬后,豎向應(yīng)力的最大值呈現(xiàn)明顯增大趨勢(shì),在新鋪設(shè)路基底層中心處出現(xiàn)了最大豎向應(yīng)力值。路基拓寬前,地基水平位移峰值出現(xiàn)在舊路基正下方,路基拓寬后,水平位移峰值出現(xiàn)在新鋪設(shè)路基坡腳下邊緣。

        經(jīng)過(guò)對(duì)比兩種加寬路基的方案,采用兩側(cè)路基加寬,新舊路基差異沉降少,保證了道路兩側(cè)的受力均勻,路基整體性強(qiáng)對(duì)原有路基附著力提高,新舊路基呈現(xiàn)整體性的沉降,新舊路基之間差異沉降較小。

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