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        交通荷載作用下大粒徑土石混合料路堤沉降特性分析

        2022-07-29 02:38:28王延忠劉長瑞孔振中趙志樸馮柏人
        黑龍江交通科技 2022年6期
        關(guān)鍵詞:土石塊石曲線圖

        王延忠,劉長瑞,孔振中,趙志樸,馮柏人

        (1.山東省公路橋梁建設(shè)有限公司,山東 濟(jì)南 2500001;2.山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250101)

        0 引 言

        京滬高速改擴(kuò)建萊蕪新泰段第二標(biāo)段位于丘陵地區(qū),廣泛分布著大粒徑塊石和土石混合料。為便于因地制宜、就地取材,需研究大粒徑土石混合料填筑路堤的沉降特性。由于大粒徑塊石的尺寸較大,難以直接進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn),隨著有限元軟件的日漸成熟,越來越多的學(xué)者[1-3]利用Abaqus軟件對大粒徑土石混合料進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

        本文從京滬高速改擴(kuò)建大粒徑土石混合料填筑路堤出發(fā),采用有限元計(jì)算來研究交通荷載作用下大粒徑土石混合料路堤沉降特性。

        1 工程概況

        京滬高速公路改擴(kuò)建萊(蕪)新(泰)段第二標(biāo)段起點(diǎn)樁號為YK507+460(ZK507+469),終點(diǎn)樁號為K540+580,全長33.12 km,途經(jīng)泰安新泰市龍廷鎮(zhèn)、汶南鎮(zhèn),至臨沂市蒙陰縣常路鎮(zhèn)。其中起點(diǎn)至K525+700為分離式路基,長18.24 km;K525+700至終點(diǎn)為整體式拼寬路基,長14.88 km。

        本次模擬大粒徑土石混合料填筑于京滬高速公路改擴(kuò)建萊(蕪)新(泰)段第二標(biāo)段分離增建路基。路基標(biāo)準(zhǔn)寬度20.75 m,雙向四車道,設(shè)計(jì)車速120 km/h,坡度1∶1.5,路面結(jié)構(gòu)厚度0.84 m,路堤高度為6 m,土基高度為10 m。

        2 模擬方案

        考慮車輛荷載作用,通過有限元軟件Abaqus建立三維道路模型,模擬塊石在路堤內(nèi)部不同深度和粒徑條件下路堤的沉降特性。

        2.1 塊石布放方案

        將各粒徑塊石分別布放于路基內(nèi)部距頂面1.9 m、3 m、4 m處,塊石布放凈距為2倍粒徑長度,具體填筑方案如表1所示。

        表1 塊石填筑方案

        2.2 參數(shù)選取

        使用Abaqus軟件建立道路三維模型(見圖1),模擬時(shí)固定下部地基的底面和4個(gè)側(cè)面的邊界條件,同時(shí)固定地基前后兩側(cè)面的邊界條件(即垂直于道路方向的兩個(gè)側(cè)面),設(shè)置路面、兩側(cè)坡面以及地基的上表面為自由邊界。通過土石混合料基本物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)及其他施工設(shè)計(jì)資料,確定路面結(jié)構(gòu)及路基的各項(xiàng)參數(shù)如表2所示,土體本構(gòu)采用Mohr-Coulomb(摩爾庫侖)模型,三維有限元模型如圖1所示。參考《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B01—2014)[4]中車輛荷載有關(guān)規(guī)定,選用公路-I級荷載后軸重力標(biāo)準(zhǔn)值2×140 kN,著地面積寬度0.6 m×長度0.2 m,換算成均布荷載為1 167 kPa,按車輛荷載作用頻率較高情況考慮,假定荷載沿高速公路程帶狀連續(xù)分布,荷載作用寬度為0.2 m。

        表2 模型參數(shù)選取

        圖1 模型建立

        3 模擬結(jié)果及分析

        取路基中線處及其左右兩側(cè)各一個(gè)塊石分析,塊石從左往右依次編號1~3。

        3.1 塊石粒徑對沉降影響結(jié)果及分析

        在Abaqus中提取塊石及路基頂部沉降,并對各塊石進(jìn)行編號繪制塊石粒徑-沉降曲線(見圖2)及塊石布放各深度下路面單元沉降變形量路徑曲線(見圖3),定性分析粒徑對路基豎向穩(wěn)定性影響規(guī)律。以編號“1.9-1”為例,“1.9”為塊石埋深距路基頂面1.9 m,“1”為路基中心左側(cè)塊石編號。

        圖2 塊石粒徑-沉降曲線圖

        由圖2可以看出,隨著粒徑的增加,各埋深塊石的沉降均逐漸減小;由圖3可以看出,路面沉降量由兩側(cè)路肩向路面中心逐漸遞增,最大值和最小值之差極小,幾乎無沉降變形,且同一埋深下塊石粒徑越大,路面沉降量越小,豎向穩(wěn)定性較好。

        圖3 塊石布放各深度下路面單元沉降變形量路徑曲線圖

        3.2 塊石埋深對沉降影響結(jié)果及分析

        在Abaqus提取各工況路基中心及周圍兩個(gè)塊石沉降數(shù)據(jù),并由左到右依次對各塊石進(jìn)行編號繪制埋深-沉降曲線(見圖4)及各粒徑塊石布放路面單元沉降變形量路徑曲線圖(見圖5),定性分析粒徑對路基豎向穩(wěn)定性的影響。以編號“0.4-1”為例,“0.4”為塊石粒徑0.4 m,“1”為路基中心左側(cè)塊石編號。

        由圖4~圖5可以看出,隨著各粒徑塊石埋深增加,塊石沉降量逐漸變小,二者基本呈線性負(fù)相關(guān)關(guān)系,路面沉降量也隨埋深的增大而減小,且兩側(cè)路肩沉降量小于路面中心。

        圖4 塊石埋深-沉降曲線圖

        圖5 各粒徑塊石布放路面單元沉降變形量路徑曲線圖

        4 結(jié) 論

        綜合以上數(shù)值模擬的結(jié)果,得到如下結(jié)論。

        (1)塊石的粒徑越大,塊石對其周圍填料側(cè)限作用范圍越大,塊石及路面沉降越小,路基豎向穩(wěn)定性越好。

        (2)塊石埋深越大,由路基上部傳遞下來的能量衰減越多,對塊石的作用越弱,使其沉降減小,同時(shí)塊石埋置深度越大,對底部填料的側(cè)限作用越強(qiáng),填料更加密實(shí), 使得路基上部沉降也越小,穩(wěn)定性越好。

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