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        公路改擴(kuò)建工程中土工格室加固效果及影響參數(shù)分析

        2022-03-21 16:26:42薛洋
        西部交通科技 2022年1期

        薛洋

        作者簡(jiǎn)介:薛 洋(1985—),工程師,主要從事路橋設(shè)計(jì)工作。

        摘要:為研究土工格室的加固效果以及設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)路基變形及沉降的影響,文章采用有限元軟件建立拓寬路基數(shù)值模型,針對(duì)土工格室的加固效果、鋪設(shè)層數(shù)、鋪設(shè)寬度以及筋材模量對(duì)路基變形的影響進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明:鋪設(shè)土工格室可有效改善新舊路基的水平變形和差異沉降,使得應(yīng)力分布更為均勻;路基的水平位移和差異沉降均隨著土工格室鋪設(shè)層數(shù)的增加而減小;增大鋪設(shè)寬度可降低路基的水平位移和差異沉降;增大筋材模量可以降低新路基的水平變形和差異沉降,但同時(shí)也會(huì)增大老路基的差異沉降。綜合來(lái)看,土工格室鋪設(shè)層數(shù)選擇3層、鋪設(shè)寬度控制在50%左右、筋材模量選擇20 GPa的經(jīng)濟(jì)性和處治效果更好。

        關(guān)鍵詞:公路改擴(kuò)建;土工格室;加固效果;設(shè)計(jì)參數(shù)

        中國(guó)分類號(hào):U412.22+2A260964

        0 引言

        近年來(lái),土工格室因具有抗沖蝕、材質(zhì)輕、耐磨損及施工簡(jiǎn)便等特點(diǎn),逐漸替代傳統(tǒng)土工材料應(yīng)用在我國(guó)公路改擴(kuò)建工程中[1]。但早期的土工格室由于設(shè)計(jì)偏于保守,導(dǎo)致部分拓寬工程出現(xiàn)新舊路基拼接質(zhì)量問(wèn)題,給公路的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了風(fēng)險(xiǎn)[2]。因此,如何有效解決土工格室設(shè)計(jì)缺陷以及提升其處治效果,已成為當(dāng)下學(xué)者研究的重要課題[3-4]。

        目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)土工格室的應(yīng)用展開了大量研究,如王選倉(cāng)等[5]通過(guò)離心模型試驗(yàn),分析了未加筋及不同加筋情況對(duì)路基沉降和穩(wěn)定性的影響;彭賢清等[6]針對(duì)不同高度、不同彈性模量以及不同形狀的土工格室擋墻進(jìn)行不同的工況設(shè)計(jì),提出了一種最優(yōu)的土工格室選型;趙明華等[7]發(fā)現(xiàn)在一定范圍內(nèi)改變加筋體的復(fù)合彈性模量、樁土剛度比、上下界面摩阻系數(shù)比等因素可以起到調(diào)節(jié)雙向增強(qiáng)復(fù)合地基網(wǎng)下樁土應(yīng)力比和降低格室體沉降的作用;邱毅等[8]研究了土工格柵和土工格室在公路拓寬工程中的應(yīng)用技術(shù),并提出了土工格柵-格室組合加筋方案。土工格室作為一種新型土工材料,在公路改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用研究正處于不斷完善的階段,而關(guān)于土工格室的設(shè)計(jì)參數(shù)還缺乏系統(tǒng)性的研究?;诖耍疚尼槍?duì)土工格室加固拓寬路基的效果進(jìn)行了分析,并進(jìn)一步討論了土工格室鋪設(shè)層數(shù)、鋪設(shè)寬度以及筋材模量對(duì)拓寬路基水平變形和差異沉降的影響,提出了相對(duì)合理的參數(shù)設(shè)計(jì)值,以期為類似改擴(kuò)建工程提供參考。

        1 工程概括

        某公路改擴(kuò)建工程原道路為二級(jí)公路,車道設(shè)計(jì)為雙向兩車道,最高行駛速度為80 km/h,路基寬度為12 m,路線長(zhǎng)度約為37.472 km?,F(xiàn)由于交通流量的日益增長(zhǎng),原道路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)已無(wú)法滿足通行需求,部分路段頻繁出現(xiàn)車轍、裂縫,甚至塌陷等嚴(yán)重病害,給該道路的安全運(yùn)營(yíng)帶來(lái)了較大風(fēng)險(xiǎn)。為解決原通路各種病害和通行壓力大等問(wèn)題,計(jì)劃對(duì)原道路進(jìn)行升級(jí)改造,將道路二級(jí)公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)提升為一級(jí)公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),路基寬度由原設(shè)計(jì)值12 m增至24.5 m,車道由雙向兩車道增至雙向四車道,設(shè)計(jì)速度為100 km/h,路基高度由5 m增至6 m,邊坡比保持1∶1.5不變。該項(xiàng)目拓寬方式主要采用雙側(cè)等寬度加寬,兩側(cè)各加寬6.25 m,部分路段受地形限制采用單側(cè)加寬12.5 m方式。公路擴(kuò)建新舊路基搭接問(wèn)題采用鋪設(shè)土工格室方案,土工格室與臺(tái)階搭接長(zhǎng)度為2 m,共鋪設(shè)4層。拓寬路基截面如圖1所示。

        2 數(shù)值建模

        運(yùn)用ABAQUS軟件建立拓寬路基有限元分析模型,模型中路基采用平面應(yīng)變單元CPE4模擬,地基土采用流固耦合單元模擬,計(jì)算高度取26.5 m,寬度取50 m,共包含1 328個(gè)單元和1 512個(gè)節(jié)點(diǎn)。其有限元模型如圖2所示。

        在計(jì)算模型中,地基可視為半無(wú)限空間體,同時(shí)對(duì)模型底部進(jìn)行水平和豎直向約束,兩側(cè)進(jìn)行水平位移約束,上部為自由界面。為更好地模擬路基實(shí)際變形情況及保證計(jì)算結(jié)果的精準(zhǔn)性,對(duì)模型做出以下假定:(1)路基可視為平面應(yīng)變問(wèn)題處理;(2)新舊路基搭接良好,接觸面完全連續(xù);(3)路基和地基均視為均質(zhì)且各向同性的理想彈塑體;(4)地基土自重應(yīng)力作為地基初始應(yīng)力;(5)地表為透水邊界,地基變形采用孔壓?jiǎn)卧?jì)算;(6)路面結(jié)構(gòu)層均等效為1 m填土;(7)土工格室與內(nèi)部填料視為一個(gè)整體,均視為線彈性結(jié)構(gòu)層,且滿足線彈性條件。拓寬路基土體包括原路基和新路基填土,地基土層主要包括2.5 m厚軟土層、8 m厚軟黏土層和10 m厚基巖層。其計(jì)算參數(shù)如表1所示。土工格室計(jì)算參數(shù)如表2所示。

        3 土工格室加固效果分析

        為驗(yàn)證土工格室對(duì)拓寬路基的加固效果,運(yùn)用有限元軟件分別建立未鋪設(shè)及鋪設(shè)4層土工格室加固的拓寬路基計(jì)算模型,并針對(duì)拓寬路基的位移及應(yīng)力變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析。

        3.1 位移分析

        經(jīng)計(jì)算,得到未加固和加固模型路基頂面的水平位移與沉降最大、最小值(如表3所示)。

        根據(jù)表3可知,拓寬路基鋪設(shè)土工格室后,路基頂面的最大水平位移值減小了20%,說(shuō)明土工格室對(duì)于處治新舊路基的水平變形具有優(yōu)良效果。原因是土工格室的鋪設(shè)增強(qiáng)了路基水平向的受力,限制了路基的側(cè)向位移。未鋪設(shè)土工格室的路基頂面差異沉降為3.51 cm,鋪設(shè)了土工格室的路基頂面差異沉降為3.16 cm,最大差異沉降減小約10%,說(shuō)明土工格室對(duì)于改善新舊路基的差異沉降同樣具有優(yōu)良效果。

        3.2 應(yīng)力分析

        經(jīng)計(jì)算,得到未加固和加固模型路基頂面的水平應(yīng)力與豎向應(yīng)力最大、最小值(如表4所示)。

        根據(jù)表4可知,拓寬路基鋪設(shè)土工格室后,路基頂面最大水平應(yīng)力降低了23%左右,水平應(yīng)力差減小了近37%,說(shuō)明土工格室的鋪設(shè)可以有效消除新舊路基間的水平應(yīng)力差,使得路基頂面的水平應(yīng)力分布更為均勻。未鋪設(shè)土工格室的路基頂面豎向應(yīng)力差為8.5 kPa,鋪設(shè)了土工格室的路基頂面豎向應(yīng)力差為14.4 kPa,最大豎向應(yīng)力差減小了40%左右,說(shuō)明土工格室可有效改善新舊路基的豎向應(yīng)力分布情況,從而降低了路基由于應(yīng)力集中而產(chǎn)生破壞的可能性。

        4 土工格室影響參數(shù)分析

        土工格室的鋪設(shè)層數(shù)、鋪設(shè)寬度及筋材模量等設(shè)計(jì)參數(shù)均會(huì)對(duì)其加固效果產(chǎn)生影響。為確定合理的參數(shù)設(shè)計(jì)值,分別建立不同土工格室參數(shù)設(shè)計(jì)的拓寬路基計(jì)算模型,并針對(duì)拓寬路基的變形及沉降變化規(guī)律進(jìn)行對(duì)比分析。

        4.1 鋪設(shè)層數(shù)

        為確定拓寬路基土工格室合理的鋪設(shè)層數(shù),分別選取鋪設(shè)0、1、2、3、4層土工格室的拓寬路基進(jìn)行變形及沉降分析,結(jié)果如圖3所示。

        根據(jù)圖3知,隨著土工格室鋪設(shè)層數(shù)的增加,路基頂面的水平位移和豎向沉降均呈減小趨勢(shì)變化,說(shuō)明增加土工格室鋪設(shè)層數(shù)可有效控制新舊路基的水平變形及改善路基的不均勻沉降。其中,鋪設(shè)3層和4層土工格室的路基最大水平位移分別減小了20%和23%,最大沉降分別減小了3%和3.6%,說(shuō)明土工格室鋪設(shè)層數(shù)超過(guò)3層后,其處治效果不大。同時(shí),綜合經(jīng)濟(jì)性的考慮,建議拓寬路基選擇鋪設(shè)3層土工格室的加筋效果相對(duì)較優(yōu)。

        4.2 鋪設(shè)寬度

        為確定拓寬路基土工格室合理的鋪設(shè)寬度,分別選取鋪設(shè)0、25%、50%、75%、100%土工格室的拓寬路基進(jìn)行變形及沉降分析,結(jié)果如圖4所示。

        根據(jù)圖4可知,隨著土工格室鋪設(shè)寬度的增大,路基頂面的水平位移和豎向沉降均呈減小趨勢(shì)變化,說(shuō)明增大土工格室鋪設(shè)寬度可有效控制新舊路基的水平變形及改善路基的不均勻沉降。其中,土工格室鋪設(shè)寬度由0增至50%時(shí),路基頂面的最大水平位移值和沉降值減幅較大,而鋪設(shè)寬度超過(guò)50%后,路基頂面的最大水平位移值和沉降值減幅逐漸平緩,說(shuō)明土工格室鋪設(shè)寬度控制在50%的處治效果最好。同時(shí),結(jié)合施工成本的考慮,建議拓寬路基選擇鋪設(shè)50%拓寬寬度的土工格室加筋效果相對(duì)較優(yōu)。

        4.3 筋材模量

        為確定拓寬路基土工格室合理的筋材模量,分別選取筋材模量為5 GPa、10 GPa、20 GPa、30 GPa的拓寬路基模型進(jìn)行變形及沉降分析,結(jié)果如圖5所示。

        根據(jù)圖5可知,隨著土工格室筋材模量的增大,新路基的水平位移和豎向沉降均逐漸減小,整體減幅較小,而原路基的豎向沉降會(huì)隨之增大,但原路基的水平位移基本保持不變。由此說(shuō)明,增大筋材模量可以降低新路基的水平變形和差異沉降,但同時(shí)也會(huì)增大原路基的差異沉降,且筋材模量越大,工程造價(jià)也會(huì)越高。因此,從施工經(jīng)濟(jì)性和處治效果兩個(gè)方面考慮,土工格室的筋材模量不必太高,滿足工程強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求即可,而拓寬路基建議選取土工格室筋材模量為20 GPa的處治效果最佳。

        5 結(jié)語(yǔ)

        本文通過(guò)運(yùn)用軟件模擬分析了土工格室的加固效果,以及不同鋪設(shè)層數(shù)、鋪設(shè)寬度和筋材模量對(duì)拓寬路基變形及沉降的影響規(guī)律,得到以下主要結(jié)論:

        (1)拓寬路基鋪設(shè)土工格室后,路基頂面的最大水平變形降低了20%,最大差異沉降降低了10%,水平應(yīng)力差減小了近37%,最大豎向應(yīng)力差減小了40%左右。

        (2)增加土工格室鋪設(shè)層數(shù)可有效控制新舊路基的水平變形及改善路基的不均勻沉降,建議拓寬路基選擇鋪設(shè)3層土工格室的加筋效果相對(duì)較優(yōu)。

        (3)增大土工格室鋪設(shè)寬度可有效控制新舊路基的水平變形及改善路基的不均勻沉降,建議土工格室鋪設(shè)寬度控制在50%的處治效果最好。

        (4)增大筋材模量可以降低新路基的水平變形和差異沉降,但同時(shí)也會(huì)增大原路基的差異沉降,且筋材模量越大,工程造價(jià)也會(huì)越高,建議選取筋材模量為20 GPa的土工格室。

        參考文獻(xiàn):

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