孫彩云

(新疆交通科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830002)

1 有限元模型

1.1 建模假設(shè)及路面構(gòu)造

根據(jù)盧軍源[1]所述的路基拓寬物理試驗(yàn)的模型尺寸，采用Ansys軟件建立相應(yīng)的三維有限元分析模型。其中，舊路基單幅寬6 m、高3 m，路基底面x向和z向尺寸分別為14.5、10 m，邊坡坡度取為1∶1.5。擴(kuò)寬后的路基寬度為10 m。路面結(jié)構(gòu)層的上面層由上到下組成分別為：40 mm厚的AK-13C瀝青混凝土以及60、120 mm厚的AC-25瀝青混凝土。采用6%、5%和4%水泥穩(wěn)定碎石作為路面基層，共厚540 mm，每層的厚度均相等。

新舊路基的土體采用D-P本構(gòu)模型，假定路面材料始終處于彈性狀態(tài)。表1所示為路面材料的詳細(xì)特性值。

表1 材料參數(shù)

在有限元模型中，路基和路面采用SOLID45實(shí)體單元進(jìn)行模擬；SHELL 181殼單元用來模擬土工格柵，即在模型中建立一個(gè)5 m×10 m的面直接嵌入土層，并假定路基和土工格柵間的分離和滑移是不會(huì)發(fā)生的；采用CONTA173單元和TARGE170單元來對(duì)新舊路基及其他各層間的接觸進(jìn)行模擬。實(shí)際工程中為雙側(cè)路基對(duì)稱加寬，在不影響計(jì)算精度的前提下，為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，根據(jù)對(duì)稱性以路基中心線為軸線取1/2結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。為了使計(jì)算模型與實(shí)際情況更加符合，建模過程中將新舊路基模擬為層狀結(jié)構(gòu)，每層220 mm、共10層；加強(qiáng)層共3層，瀝青路面結(jié)構(gòu)中路面結(jié)構(gòu)層包含有3層基層和3層面層。最終建立的有限元模型包含單元共117 300個(gè)，這其中包括52 770的接觸單元。

在對(duì)有限元模型施加邊界約束時(shí)，在坐標(biāo)系中，在擋板上(x=0)約束其x方向位移，在底部面上(y=0的)約束其y向位移，并在z=0和z=-10的路基路面上約束其z向位移。

2 地基差異沉降曲線

有限元分析模型中的差異沉降方法是給模型底部相應(yīng)單元的結(jié)點(diǎn)施加給定的強(qiáng)迫位移來實(shí)現(xiàn)的，另外僅將自重考慮到新路基路面施工過程的模擬中去。對(duì)模型底部節(jié)點(diǎn)施加的最大為2～24 cm間的不同沉降量的地基差異沉降曲線如圖1所示。

圖1 地基差異沉降曲線

3 路面結(jié)構(gòu)層力學(xué)特性分析

3.1 橫向應(yīng)力變化規(guī)律

選取圖1所示的觀測(cè)點(diǎn)為分析對(duì)象進(jìn)行討論。其中，各點(diǎn)為沿路基寬度(X方向)的5等分點(diǎn)。路面結(jié)構(gòu)的面層、中間層和底層分別是沿路面向下0、110、220 mm的位置，并將上面層的分析點(diǎn)記為(T1～T6)，中間層記為(M1～M6)，下面層記為(B1～B6)。僅示意處路面結(jié)構(gòu)上面層的分析位置。

在有限元模型中，施加圖1所示的地基差異沉降。圖1為地基差異沉降與路面結(jié)構(gòu)層橫向(x向)應(yīng)力之間的變化關(guān)系曲線，如圖2所示。

從圖2可以看出，在2～24 cm的地基差異沉降區(qū)間，上面層中的T4和T5位置一直處于受拉狀態(tài)，T6一直處于受壓狀態(tài)，其余各點(diǎn)則是由受壓狀態(tài)過度為受拉狀態(tài)，上面層最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在T4位置，可達(dá)332.1 kPa。另外，當(dāng)發(fā)生10～14 cm的沉降時(shí)，上面層各點(diǎn)應(yīng)力變化不太顯著。路面中間層各點(diǎn)的應(yīng)力變化趨勢(shì)與上面層的各點(diǎn)基本一致，M4基本上始終處于受拉狀態(tài)，M3和M6則由受壓變?yōu)槭芾?，M5由受拉變?yōu)槭軌?，且?dāng)沉降量超過10 cm后，除M4外的其他各點(diǎn)的應(yīng)力值變化較為平穩(wěn)。路面底層橫向應(yīng)力的變化趨勢(shì)與上面層較為一致，B4和B5位置始終處于受拉狀態(tài)，最大應(yīng)力可達(dá)到270.5 kPa；B2和B3則由受壓過渡為受拉狀態(tài)。

圖2 差異沉降-應(yīng)力變化曲線

各應(yīng)力分析點(diǎn)中，以中間層M5點(diǎn)的變化最為復(fù)雜，隨著沉降量的增加，其拉應(yīng)力先增大再減小，然后過渡為壓應(yīng)力，然后壓應(yīng)力再增大后減小，當(dāng)沉降量超過14 cm后，其壓應(yīng)力逐漸趨于平穩(wěn)。

3.2 縱向應(yīng)力變化規(guī)律

不同的地基差異沉降下路面結(jié)構(gòu)層不同位置處的縱向(z向)應(yīng)力變化曲線如圖3所示。應(yīng)力提取位置同上節(jié)。

圖3 面層結(jié)構(gòu)縱向應(yīng)力變化曲線

與圖2示的面層橫向應(yīng)力相比，圖3縱向應(yīng)力值整體要小，但是變化趨勢(shì)基本一致。在T4觀測(cè)點(diǎn)范圍內(nèi)，面層出現(xiàn)最大拉應(yīng)力，為84.2 kPa，約占橫向最大拉應(yīng)力的25.4%；中間層M4點(diǎn)的縱向最大應(yīng)力為66.5 kPa，約為橫向應(yīng)力的22.7%；下面層B4點(diǎn)的縱向最大應(yīng)力為61.7 kPa，約為橫向應(yīng)力的22.8。由此可見，相同沉降量下縱向應(yīng)力的大小約為橫向應(yīng)力的23.0%左右。另外，隨著距路面表層距離的增加，相同沉降工況下附加拉應(yīng)力的值是逐漸減小的。

各應(yīng)力分析點(diǎn)中，以B5點(diǎn)的變化最為復(fù)雜，隨著沉降量的增加，其拉應(yīng)力先減增大再減小，然后過渡為壓應(yīng)力，然后壓應(yīng)力再增大后減小，當(dāng)沉降量超過14 cm后，其壓應(yīng)力逐漸趨于平穩(wěn)。

3.3 剪應(yīng)力變化規(guī)律

如圖3不同的地基差異沉降下路面結(jié)構(gòu)層不同位置處的最大剪應(yīng)力變化曲線如圖4所示，應(yīng)力提取位置同上節(jié)。

圖4 面層結(jié)構(gòu)剪應(yīng)力變化曲線

上、中、下面層的最大剪應(yīng)力分別為6.3、12.6、27.4 kPa，即隨著與路面上表面間的距離增加，最大剪應(yīng)力也增加；且在2～24 cm的地基差異沉降區(qū)間，路面結(jié)構(gòu)的上、中、下面層的1#～4#觀測(cè)點(diǎn)的剪應(yīng)力隨著差異沉降值的增加而增大，在超過14 cm后，剪應(yīng)力的變化逐漸趨于穩(wěn)定。5號(hào)觀測(cè)點(diǎn)在地基差異沉降達(dá)到10 cm時(shí)，剪應(yīng)力達(dá)到最大值。6#觀測(cè)點(diǎn)位于路面邊緣，當(dāng)?shù)鼗町惓两颠_(dá)到6 cm時(shí)剪應(yīng)力達(dá)到最大值；當(dāng)?shù)鼗町惓^12 cm后，剪應(yīng)力基本保持穩(wěn)定。

4 結(jié) 論

(1)面層結(jié)構(gòu)的橫向附加應(yīng)力和縱向附加應(yīng)力變化趨勢(shì)較為一致；其中，最大橫向拉應(yīng)力可達(dá)332.1 kPa，最大縱向拉應(yīng)力可達(dá)84.2 kPa，約占橫向最大拉應(yīng)力的25.4%。

(2)面層橫向附加應(yīng)力中，以中間層的M5點(diǎn)的變化最為復(fù)雜；而縱向的附加應(yīng)力中，應(yīng)力變化最為復(fù)雜是下面層的B5點(diǎn)。

(3)相同沉降量下，縱向應(yīng)力最大值約為橫向應(yīng)力最大值的23.0%左右，隨著遠(yuǎn)離路面上表面，附加應(yīng)力的變化逐漸趨于平緩。

(4)路面結(jié)構(gòu)的最大剪應(yīng)力可以達(dá)到27.4 kPa，出現(xiàn)在下面層；上面層最大剪應(yīng)力為6.3 kPa，中間面層為12.6 kPa。