江宗斌

惠州市城市交通規(guī)劃所 廣東 惠州 516000

引 言

計算機(jī)的誕生促使建筑行業(yè)發(fā)生前所未有的飛躍變化。革新了傳統(tǒng)范疇的設(shè)計方法，引入了高效精細(xì)的計算分析方法。一些前沿的計算分析方法大量應(yīng)用于市政路橋設(shè)計，至此中國橋、中國路在國際上所取得的驕人成績有目共睹。但當(dāng)前的路橋設(shè)計仍然存在許多問題，比如，設(shè)計單位對市政路橋的設(shè)計仍然慣用經(jīng)驗(yàn)判斷，照搬成功案例，在不同地質(zhì)條件下未經(jīng)深入分析，保守化設(shè)計，缺乏創(chuàng)新度。上述問題將會造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失、增加施工難度、縮短其使用壽命等問題。一個穩(wěn)定的建筑結(jié)構(gòu)都需要依附在一個穩(wěn)定的地質(zhì)體來承載。路基隨時間的變形是導(dǎo)致破壞的主要影響因素之一。

由于地質(zhì)體的各向異性和不可預(yù)見性為市政道路設(shè)計增加了難度，本文以惠州市大瀝片區(qū)市政工程新樂大道為例采用FLAC3D建立數(shù)值模型，從地層各參數(shù)之間的敏感性進(jìn)行分析，為市政路道路設(shè)計提供技術(shù)支撐。為了更好的把握各因素在工程的作用，本分析過程采用6因素E1、 E2、μ1、 c1 、 φ1 、 h。其中E1 E2分別是強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化板巖的楊氏模量、μ1是強(qiáng)風(fēng)化板巖的泊松比、c1是強(qiáng)風(fēng)化板巖的粘聚力、φ1是強(qiáng)風(fēng)化板巖的內(nèi)摩擦角、h是拱頂距離地表的厚度。5水平外加一均勻設(shè)計來分析這6個因素對地表沉降的影響。

1 工程概況及模型

擬建惠州市大瀝片區(qū)市政工程新樂大道位于惠州市惠城區(qū)文頭嶺管理區(qū)，南端與規(guī)劃堤下路相交，北端與惠州大道相交，呈大致南北走向，全長約1.02km。場區(qū)原始地貌為沖積平地。南端為西枝江大堤，北端為惠州大道，中部現(xiàn)大部分為耕種地及魚塘。根據(jù)地質(zhì)勘探揭露，地層巖性為，場地內(nèi)地層自上而下為：人工填土層、第四系耕植土層、第四系沖積層、第四系殘積層。

圖1 FLAC3D三維模型

以惠州大瀝片區(qū)市政路為研究對象，采用FLAC3D 有限差分軟件建立三維數(shù)值模型，計算模型將巖土體視為連續(xù)、各向同性的力學(xué)介質(zhì)。模型對側(cè)面和地面進(jìn)行約束，上表面無施加約束，共16224個單元，19080個節(jié)點(diǎn)。力學(xué)參數(shù)見表1。本構(gòu)模型采用伯格模型，伯格模型是由麥克斯韋(Maxwell)跟開爾文(Kelvin)串聯(lián)組成，如圖2所示，由于現(xiàn)在城市化進(jìn)程迅速，城市人口聚集，交通壓力顯著增加。根據(jù)中國車輛荷載規(guī)定，路面的車輛荷載為12kPa的均布應(yīng)力。但實(shí)際中由于道路設(shè)計原因，導(dǎo)致某條道路的交通量大小不一。不同的車輛荷載，對路基造成的壓實(shí)程度不同，所以在本模擬中采用10kPa、12kPa、14kPa三種車輛荷載水平進(jìn)行模擬。

表1 蠕變本構(gòu)模型力學(xué)參數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

路基在經(jīng)歷了相當(dāng)長時期的固結(jié)，自身已經(jīng)達(dá)到平衡。為了模型路基的修筑過程，同時避免應(yīng)力平衡中產(chǎn)生塑性區(qū)，模擬之前先采用彈性準(zhǔn)則進(jìn)行土體的自重平衡，平衡完成后再進(jìn)行巖土體的路基填筑再開啟蠕變進(jìn)行計算。市政路的設(shè)計年限一般為20年，本模擬過程計算了路基填筑結(jié)束后20年的沉降行為。通過FLAC3D計算得到路基在不同車輛荷載作用下的蠕變曲線。為更直觀的觀察蠕變位移，選取具有代表性的路堤底部中心處一點(diǎn)作為觀測對象并記錄其歷史位移值，如圖3 所示。施工的過程其實(shí)就是自重平衡的過程，此階段快速完成土體固結(jié)[3]。但路基在修筑完成后并未停止，仍然以緩慢的速率繼續(xù)沉降。而且沉降速率隨著時間的推移逐漸有減緩的趨勢。三種車輛荷載下的年平均沉降為0.748mm/年、0.675mm/年、0.619mm/年。達(dá)到平衡后仍然存在緩慢移動和變形的趨勢。從圖4中可以看出，沉降區(qū)域主要集中在路基下方，沿橫向向路基兩側(cè)逐漸減小，其等值線呈橢圓下凹的形狀。根據(jù)路基的沉降規(guī)律，可以在路基的修筑過程中通過注漿、打樁、夯實(shí)等手段處理，以減少后期的蠕變沉降。除此之外，嚴(yán)格按照車輛荷載設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，控制市政路超負(fù)荷使用，延長市政路使用年限。

圖3 不同車輛荷載下的沉降曲線巖土體具有蠕變特性，所謂蠕變就是巖土體在各方外力作用下

圖4 不同車輛荷載水平下的豎向位移分布圖

3 結(jié) 論

本文通過有限差分軟件FLAC3D計算模擬大瀝片區(qū)市政工程新樂大道的不同車輛荷載下20年間的蠕變沉降。得出如下結(jié)論：

(1)蠕變是路基修筑過程中不可忽略的隱形位移。蠕變作用產(chǎn)生的位移占總位移的50%以上。施工中應(yīng)該充分考慮蠕變造成的大變形，采取有效措施。

（2）車輛荷載越大所發(fā)生的蠕變沉降越大，而且隨著車輛荷載的增大，蠕變速率也增加。施工過程中可以通過注漿、打樁、夯實(shí)等手段降低蠕變作用，延長市政路使用壽命。