丁 胤

（貴州路橋集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550001）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)高速公路建設(shè)技術(shù)的愈加成熟，對(duì)路基結(jié)構(gòu)的耐久性提出了更高的要求。如何確保路基在行車(chē)荷載的持續(xù)影響下仍滿(mǎn)足正常通行要求十分關(guān)鍵[1]。根據(jù)調(diào)查顯示，路基病害部位會(huì)嚴(yán)重侵蝕路基結(jié)構(gòu)，隨著時(shí)間推移持續(xù)進(jìn)行不利作用，大大降低其使用性能，影響行車(chē)安全，縮短使用年限。該文結(jié)合某高速公路實(shí)際工況，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)進(jìn)行路基形變因素分析[2]。對(duì)質(zhì)量缺陷路基在各種速度和軸向荷載影響下產(chǎn)生的縱、橫向形變情況進(jìn)行了全面探討，得出病害要因及發(fā)展趨勢(shì)，為類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

某高速公路采用雙向四車(chē)道，各車(chē)道寬約3.5 m。路面層自上而下依次為面層、基層和底基層，總體厚度為0.8 m。路面層下方為路堤，坡度為1∶1.5，厚1.5 m，路堤表面存在厚0.7 m的缺陷層，為研究缺陷層對(duì)路堤的具體影響，運(yùn)用數(shù)值法對(duì)其進(jìn)行分析。路堤模型如圖1所示。

圖1 路堤模型示意圖

2 數(shù)值建模

利用數(shù)值模擬手段對(duì)路基形變響應(yīng)進(jìn)行分析，首先通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)可以獲取路基土的關(guān)鍵參數(shù)，利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試傳感器可以獲得路基動(dòng)態(tài)形變響應(yīng)，并作為數(shù)值模擬基準(zhǔn)[3]。該文主要通過(guò)采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法，獲得車(chē)輛荷載下的路基形變響應(yīng)，為數(shù)值模擬計(jì)算提供參考。

2.1 網(wǎng)格劃分

汽車(chē)通行荷載是典型的動(dòng)荷載，文章選擇ABAQUS系統(tǒng)中的EXPLICIT功能對(duì)其實(shí)施分析。圖2為路基模擬圖，為保證運(yùn)算速度，選擇前半部分參與模擬。模型規(guī)格為：28 m（x軸）×35 m（y軸）×23 m（z軸），由上而下分別是路面層、路堤、缺陷層、基層，相關(guān)力學(xué)指標(biāo)和土層厚度見(jiàn)表1。選用摩爾－庫(kù)倫理論進(jìn)行模擬，為能夠科學(xué)有效地研究質(zhì)量缺陷造成的危害，對(duì)缺陷部位實(shí)施網(wǎng)格化加密處理，缺陷部位在y軸的長(zhǎng)度為14.5 m。共建立網(wǎng)格25 568個(gè)，采用六面體單元網(wǎng)格。

表1 土體物理力學(xué)指標(biāo)

圖2 數(shù)值模擬圖

選擇ABAQUS軟件，用AMPLITUDE模塊來(lái)完成交通荷載的變化，利用DLOAD程序完成荷載移動(dòng)。為研究各種荷載的作用，結(jié)合文獻(xiàn)，分別選取100 kN、125 kN、160 kN、185 kN 4種荷載參與研究，具體如表2所示。

表2 車(chē)輛荷載形式

2.2 模擬工況

為對(duì)各種速度和行車(chē)荷載作用下路基的沉降形變情況進(jìn)行分析，如表3所示，選取行車(chē)速度為40 km/h、60 km/h、80 km/h三種狀況，車(chē)輛軸向荷載為100 kN、125 kN、160 kN、185 kN四種狀況，施加荷載5 000次，共計(jì)12種情況。

表3 模擬工況

3 車(chē)輛速度和軸向荷載對(duì)路基形變分析

3.1 車(chē)輛沿行駛方向的路基沉降分析

行車(chē)速度達(dá)到40 km/h、60 km/h、80 km/h時(shí)，車(chē)輛軸向荷載在100 kN、125 kN、160 kN、185 kN時(shí)，沿車(chē)輛行進(jìn)方向的路基沉降分布情況如圖3所示，通過(guò)對(duì)圖中185 kN軸向荷載影響下正常部位和缺陷部位路基的形變量比較分析，圖3a）能看出行車(chē)速度保持40 km/h勻速狀態(tài)下，路基形變量隨軸向荷載的增大而逐步增大，在不同軸向荷載作用下，水平4 m位置處所產(chǎn)生的形變量最大，當(dāng)軸向荷載分別施加至100 kN、125 kN、160 kN、185 kN時(shí)，所產(chǎn)生的沉降值依次為13.2 mm、17.1 mm、21.9 mm、25.1 mm。而正常部位路基產(chǎn)生的最大形變量為12.6 mm，和相同狀況下缺陷部位路基相比，其形變量降低了49.8%。

通過(guò)圖3b）能夠看出，車(chē)輛以60 km/h的速度勻速行駛時(shí)，路基形變量隨軸向荷載的增大而逐步增大，在不同軸向荷載作用下，水平4 m位置處所產(chǎn)生的形變量最大，當(dāng)軸向荷載分別施加至100 kN、125 kN、160 kN、185 kN時(shí)，所產(chǎn)生的形變量依次為12.8 mm、15.7 mm、19.6 mm、24.2 mm。而正常部位路基產(chǎn)生的最大形變量為11.7 mm，和相同狀況下缺陷部位路基相比，其形變量降低了51.7%。

通過(guò)圖3c）可以看出，車(chē)輛以80 km/h的速度勻速行駛時(shí)，路基形變量隨軸向荷載的增大而逐步增大，在不同軸向荷載作用下，水平4 m位置處所產(chǎn)生的形變量最大，當(dāng)軸向荷載分別施加至100 kN、125 kN、160 kN、185 kN時(shí)，所產(chǎn)生的形變量依次為10.1 mm、12.6 mm、15.8 mm、18.8 mm。而正常部位路基產(chǎn)生的最大形變量為8.5 mm，和相同狀況下缺陷部位路基相比，其形變量降低了55%。

圖3 沿行駛方向路基沉降圖

需要特別強(qiáng)調(diào)的是，汽車(chē)勻速前進(jìn)時(shí)，各種軸向荷載作用下的路基形變量曲線相同，而當(dāng)速度發(fā)生改變時(shí)，該曲線產(chǎn)生差異性變化[4]。當(dāng)速度達(dá)到40 km/h時(shí)，其曲線呈“W”形；當(dāng)車(chē)速達(dá)到60 km/h和80 km/h時(shí)，曲線呈“V”形[5]。同時(shí)，相同狀況下，路基沉降隨著速度的增加而降低。

3.2 道路橫斷面路基沉降分析

行車(chē)速度達(dá)到40 km/h、60 km/h、80 km/h時(shí)，車(chē)輛軸向荷載在100 kN、125 kN、160 kN、185 kN時(shí)，沿公路橫斷面的路基沉降分布情況如圖4所示，同時(shí)，在圖中對(duì)185 kN軸向荷載影響下正常部位和缺陷部位路基的形變量比較分析。通過(guò)圖4a）能夠看出，在距道路中心線6.5 m位置處，路基沉降曲線兩端總體呈現(xiàn)對(duì)稱(chēng)狀態(tài)，在車(chē)輪位置處的沉降值最大，且車(chē)輪外圍300~600 mm范圍內(nèi)產(chǎn)生了凸起，而車(chē)輛下部的路基和車(chē)輪處相比沉降量較小[6]。行車(chē)速度保持40 km/h勻速狀態(tài)下，路基形變量隨軸向荷載的增大而逐步增大，在軸向荷載為100 kN、125 kN、160 kN、185 kN時(shí)，所產(chǎn)生的沉降值依次為13.8 mm、14.3 mm、22.1 mm、25.5 mm。而正常部位路基產(chǎn)生的最大形變量為12.5 mm，和相同狀況下缺陷部位路基相比，其形變量降低了51.0%。

圖4b）為車(chē)輛以60 km/h的速度勻速行駛時(shí)公路橫斷面路基形變量變化曲線，它和速度為40 km/h時(shí)曲線狀態(tài)相同。當(dāng)車(chē)輛保持60 km/h的速度勻速行駛時(shí)，路基沉降值隨軸向荷載的增大而逐步增大，在軸向荷載為100 kN、125 kN、160 kN、185 kN時(shí)，所產(chǎn)生的沉降值依次為12.6 mm、16.2 mm、20.7 mm、23.9 mm。而正常部位路基產(chǎn)生的最大形變量為11.5 mm，和相同狀況下缺陷部位路基相比，其形變量降低了51.9%[7]。

圖4c）為行車(chē)速度在80 km/h時(shí)公路橫斷面路基沉降形變曲線，它和速度為40 km/h、60 km/h時(shí)曲線狀態(tài)相同。當(dāng)車(chē)輛保持80 km/h的速度不變時(shí)，路基沉降值隨軸向荷載的增加而逐步增大，在軸向荷載為100 kN、125 kN、160 kN、185 kN時(shí)，所產(chǎn)生的沉降值依次為10.8 mm、13.0 mm、16.9 mm、19.1 mm。而正常部位路基產(chǎn)生的最大形變量為8.8 mm，和相同狀況下缺陷部位路基相比，其形變量降低了53.9%[8-9]。

圖4 沿道路橫斷面路基沉降圖

通過(guò)對(duì)圖4a）、圖4b）、圖4c）的比較能夠看出，行車(chē)速度變化對(duì)公路橫斷面路基形變量無(wú)影響，當(dāng)軸向荷載達(dá)到185 kN時(shí)，正常路基和相同狀況下病害路基相比，沉降值至少降低了50%左右。同時(shí)，同等條件下，路基沉降量隨車(chē)輛速度的增加逐步降低。

4 結(jié)論

結(jié)合某高速公路工程實(shí)際，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對(duì)產(chǎn)生質(zhì)量缺陷的路基，在各種速度和軸向荷載影響下產(chǎn)生的縱、橫向形變情況進(jìn)行了全面探究，并得出以下結(jié)論：

（1）沿汽車(chē)前進(jìn)方向，路基沉降值隨行車(chē)荷載的增加而逐步增加，而相同狀況下，其形變量隨車(chē)輛速度的增加而逐步減小。當(dāng)車(chē)輛軸向荷載增加到185 kN，行駛速度分別處于40 km/h、60 km/h、80 km/h狀態(tài)時(shí)，正常路基比缺陷路基的形變量分別降低了49.8%、51.7%、55%。

（2）汽車(chē)勻速前進(jìn)時(shí)，隨汽車(chē)前進(jìn)方向各種軸向荷載作用下的路基沉降變化曲線相同，而當(dāng)速度發(fā)生改變時(shí)，該曲線產(chǎn)生差異性變化。當(dāng)速度達(dá)到40 km/h時(shí)，其曲線呈“W”形；當(dāng)車(chē)速達(dá)到60 km/h和80 km/h時(shí)，曲線呈“V”形。

（3）沿公路橫斷面方向，路基形變量隨車(chē)輛軸向荷載的增加而逐步增加，隨速度的增加而減小。當(dāng)車(chē)輛軸向荷載增加到185 kN，行駛速度分別處于40 km/h、60 km/h、80 km/h狀態(tài)時(shí)，正常路基比缺陷路基的形變量分別降低了51.0%、51.9%和53.9%。