黃洪賓

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

在車輛荷載作用下,路基極易產(chǎn)生不均勻沉降等病害,影響行車安全,造成經(jīng)濟(jì)損失。故而研究路基在車輛荷載作用下的動(dòng)力特性極為重要,對(duì)此大量學(xué)者進(jìn)行了深入探討。劉大鵬等[1]設(shè)計(jì)了低路堤的足尺模型試驗(yàn),測(cè)試其在車輛靜載、短期車輛動(dòng)荷載和長(zhǎng)期車輛動(dòng)荷載作用下的應(yīng)力和應(yīng)變值,并建立了長(zhǎng)期車輛動(dòng)荷載作用下的低路堤應(yīng)力計(jì)算模型。朱分清等[2]采用數(shù)值模擬的方式研究了高速公路不同壓實(shí)度的黏土填方路堤,在施工期重載車輛及運(yùn)營(yíng)期行車荷載作用下的沉降變形規(guī)律。楊強(qiáng)強(qiáng)等[3]基于某管道項(xiàng)目的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),研究了車輛荷載作用下黃土路基的豎向土壓力傳遞和擴(kuò)散規(guī)律。劉小蘭等[4]考慮到現(xiàn)有路基動(dòng)態(tài)回彈模量試驗(yàn)的不足,以路基深度為3m處的應(yīng)力為例,分析了動(dòng)荷載、靜荷載作用下的路基應(yīng)力變化規(guī)律,并給出了相應(yīng)的取值范圍。孟上九等[5]采用現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式分析了車輛荷載作用下的路基變形特性。李又云等[6]運(yùn)用ABAQUS軟件分析了不同車輛荷載動(dòng)力參數(shù)下的路堤沉降變形規(guī)律,得到了壓實(shí)黃土路堤動(dòng)力參數(shù)和車輛超載情況對(duì)路堤沉降的影響。本文依托某高速公路實(shí)際工程,運(yùn)用FLAC 3D軟件,通過(guò)編寫(xiě)FISH語(yǔ)言對(duì)車輛荷載進(jìn)行定義,根據(jù)數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果分析車輛荷載作用下的高填方路基動(dòng)力響應(yīng)特征,進(jìn)一步探討了車輛荷載幅值、車輛荷載作用次數(shù)等因素的影響。

1 高填方路基動(dòng)力特性

考慮到實(shí)際道路其路面平整度不一,結(jié)合車輛自身振動(dòng)特性,使其作用于路面的荷載呈現(xiàn)波動(dòng)變化,與簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)類似,基于此,選用移動(dòng)的簡(jiǎn)諧荷載模擬車輛荷載。路基承受的是衰減后的豎向車輛荷載,無(wú)水平向力的作用,為簡(jiǎn)化計(jì)算,在數(shù)值分析過(guò)程中,可不考慮公路路面的影響,直接將折減后的車輛荷載施加于高填方路基頂面上。本文選用FLAC 3D軟件進(jìn)行數(shù)值仿真動(dòng)力分析,其流程如圖1所示。

圖1 FLAC 3D數(shù)值仿真分析流程圖

1.1 模型的建立

本文依托某高速公路高填方路基實(shí)際工程,考慮其線路的半無(wú)限性質(zhì),將其簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題,簡(jiǎn)化后的數(shù)值仿真模型如下頁(yè)圖2所示。模型上層為人工壓實(shí)黃土填方,其中心高為25 m;下層為原狀地基土,其中心高為10 m;兩側(cè)為1∶1.3坡度的V型溝谷邊坡,高度為15 m。設(shè)置模型四周為法向約束,底部為全約束,上表面為自由面。土體均設(shè)置為摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型,根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告,其設(shè)置土體材料參數(shù)如下頁(yè)表1所示。

表1 模型材料力學(xué)參數(shù)表

圖2 FLAC 3D數(shù)值仿真模型圖

先對(duì)原狀地基土進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡,然后進(jìn)行高填方路基施工模擬,由結(jié)果可知,填方路基施工完成后,模型最大不平衡力滿足設(shè)置要求,趨近于0,故可認(rèn)為施工結(jié)束后,模型整體處于平衡狀態(tài)。分析模型沉降變形可知,路基沉降值隨著填土高度的增大而增大,其頂面中心位置沉降值最大,等沉面為U型,究其原因是填土兩側(cè)為V型溝谷邊坡,從而對(duì)填土起到“圍箍”作用,限制了填土的沉降位移。

1.2 動(dòng)力加載

為確定車輛荷載對(duì)高填方路基的影響,需將填筑施工后的模型位移等響應(yīng)量進(jìn)行清零處理。選用FISH語(yǔ)言定義車輛荷載時(shí)程曲線如圖3所示,其頻率為1 HZ,以應(yīng)力時(shí)程形式用APPLY命令進(jìn)行輸入。

圖3 車輛荷載時(shí)程曲線圖

考慮模型邊界可能會(huì)吸收或反射動(dòng)力波,從而造成模擬效果出現(xiàn)偏差,故需要先刪除模型底部的全約束,設(shè)置其為靜態(tài)邊界,并將四周設(shè)為自由場(chǎng)邊界?？紤]到摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)模型的滯回特性,為反映土體真實(shí)的阻尼,設(shè)置系數(shù)為0.02的局部阻尼。為進(jìn)一步提高計(jì)算效率,選用動(dòng)態(tài)多步的方式進(jìn)行求解,設(shè)置動(dòng)力加載時(shí)間為10 s。

1.3 結(jié)果分析

加載車輛荷載后,由結(jié)果可知,其整體應(yīng)力分布較靜力狀態(tài)基本不發(fā)生變化,但其豎向應(yīng)力的絕對(duì)值較靜力狀態(tài)有明顯的增大。設(shè)置模型監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖4所示。

圖4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1、監(jiān)測(cè)點(diǎn)3、監(jiān)測(cè)點(diǎn)5的動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行分析,其中,監(jiān)測(cè)點(diǎn)1位移路基頂面,其填土高度為35 m;監(jiān)測(cè)點(diǎn)3位移路基頂面以下10 m,其填土高度為25 m;監(jiān)測(cè)點(diǎn)5位移路基頂面以下20 m,其填土高度為15 m,其結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,監(jiān)測(cè)點(diǎn)1即路基頂面的動(dòng)應(yīng)力變化最為明顯,隨著填土高度的降低,其監(jiān)測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力逐漸平緩,究其原因是車輛荷載施加于路基頂面,后向下傳遞,傳遞過(guò)程中受到土體阻尼的影響,車輛荷載發(fā)生了衰減和擴(kuò)散。

圖5 車輛荷載作用下不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力變化曲線圖

分析車輛荷載作用下路基的豎向位移可知,隨著填土高度的降低,其沉降變形逐漸減小,受到兩側(cè)V型溝谷邊坡的約束作用和黃土自身特性的影響,模型沉降變形的等沉面并非水平分布,而呈現(xiàn)出略向上突起的現(xiàn)象。原狀地基土的沉降變形明顯小于路基填土,主要是因?yàn)樵鼗猎陂L(zhǎng)期地質(zhì)作用下,其壓實(shí)度較路基填土更大,由此可知,在高填方路基土施工時(shí),對(duì)其進(jìn)行充分壓實(shí)可有效減少其在車輛荷載下的沉降變形,從而提高其使用壽命。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)3在車輛荷載作用下的豎向位移隨時(shí)間變化曲線如圖6所示,由圖6可知,在車輛荷載作用下,路基填土的豎向位移主要表現(xiàn)為往復(fù)變化,有明顯的彈塑性;在車輛荷載加載完成后出現(xiàn)3 mm左右的累積沉降量;以圖中9～10 s的車輛荷載施加為例,其瞬時(shí)沉降為y2-y0,約11 mm;其中y1-y0為塑性沉降,約1 mm;y2-y1為彈性沉降,約10 mm。故可知,在考慮車輛荷載的動(dòng)力作用的情況下,需要特別注意路基彈性沉降的影響。

圖6 車輛荷載作用下監(jiān)測(cè)點(diǎn)3豎向位移曲線圖

分析車輛荷載作用下路基的水平位移可知,水平位移絕對(duì)值明顯小于路基的豎向位移,且主要集中于兩側(cè)V型溝谷邊坡及路基頂面處。填土路基與原狀地基土在兩側(cè)V型溝谷邊坡,即兩者交界面處,產(chǎn)生了朝向溝谷內(nèi)側(cè)的輕微滑動(dòng)。由此可知,兩側(cè)V型溝谷邊坡對(duì)填土路基產(chǎn)生了一定的擠壓作用,從而起到了限制填土路基沉降變形的作用;但也表明此處為路基填土與原狀地基土的軟弱結(jié)構(gòu)帶,填方施工過(guò)程中應(yīng)當(dāng)對(duì)路基填土與原狀地基土的接觸位置進(jìn)行處理,可采用臺(tái)階法施工、增設(shè)土工格柵等方式增加兩者接觸面,使其能夠緊密交接,從而提高該填方路基的整體穩(wěn)定性。

2 高填方路基動(dòng)力特性影響因素分析

2.1 車輛荷載幅值的影響

考慮到所依托的高速公路實(shí)際工程存在明顯的超載超限現(xiàn)象,故需要考慮重載情況下的車輛荷載對(duì)高填方路基動(dòng)力特性的影響。采用上述路基模型和監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置,分別對(duì)其施加動(dòng)力時(shí)間均為10 s,動(dòng)荷載幅值分別為10 kPa、15 kPa、20 kPa、25 kPa的車輛荷載。

分析不同車輛荷載作用下模型的豎向應(yīng)力分布規(guī)律可知,隨著車輛荷載的幅值不斷增大,該高填方路基各土層的豎向應(yīng)力也不斷增大,但其分布規(guī)律基本一致。分析高填方路基不同高度處的豎向應(yīng)力變化曲線可知,在不同車輛荷載作用下,高填方路基豎向應(yīng)力隨著填筑高度呈現(xiàn)出線性變化規(guī)律,且隨著車輛荷載幅值的增大而增大,其結(jié)果如圖7所示。分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)的動(dòng)應(yīng)力時(shí)程曲線圖可知,隨著車輛荷載的幅值增大,監(jiān)測(cè)點(diǎn)動(dòng)應(yīng)力變化幅值也增大。

圖7 高填方路基豎向應(yīng)力隨動(dòng)荷載幅值變化曲線圖

分析不同車輛荷載作用下模型的沉降分布規(guī)律可知,車輛荷載幅值越大,則高填方路基的沉降也越大,但其整體變化規(guī)律基本一致,其沉降最大值均在路基頂面,不同車輛荷載幅值情況下的沉降最大值分別為5.04 mm、7.66 mm、10.23 mm、12.80 mm。圖8所示為該高填方路基不同高度處的沉降隨車輛荷載幅值的變化曲線。由圖8可知,在不同車輛荷載作用下,高填方路基的沉降隨著填筑高度呈現(xiàn)出線性變化規(guī)律;高填方路基的沉降隨著車輛荷載幅值的增大而增大;且路基填筑高度越高,其沉降隨著車輛荷載幅值的增大越明顯。當(dāng)車輛荷載幅值由10 kPa增至25 kPa時(shí),監(jiān)測(cè)點(diǎn)1(填筑高度為35 m)變形量增大幅度為155.7%;監(jiān)測(cè)點(diǎn)5(填筑高度為15 m)變形量增大幅度為153.5%;監(jiān)測(cè)點(diǎn)7(填筑高度為5 m)變形量增大幅度為152.1%。

圖8 高填方路基沉降隨動(dòng)荷載幅值變化曲線圖

分析不同車輛荷載作用下模型的水平位移分布規(guī)律可知,隨著車輛荷載幅值的增大,其水平位移絕對(duì)值出現(xiàn)明顯的增大,但其整體變化規(guī)律基本一致,主要集中于兩側(cè)V型溝谷邊坡及路基頂面處。且水平位移絕對(duì)值明顯小于路基的豎向位移,在車輛荷載幅值分別為10 kPa、15 kPa、20 kPa、25 kPa時(shí),其水平最大值分別為0.150 mm、0.216 mm、0.285 mm、0.343 mm。分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)10和監(jiān)測(cè)點(diǎn)12(分別位于兩側(cè)V型溝谷邊坡處,即路基填土與原狀地基土交界面處)的水平位移隨車輛荷載幅值的變化規(guī)律可知,高填方路基水平位移絕對(duì)值隨著車輛荷載幅值的增大而增大,整體呈線性變化。

2.2 車輛荷載作用次數(shù)的影響

考慮到所依托的高速公路實(shí)際工程實(shí)際行車量較大,而長(zhǎng)期的車輛荷載會(huì)導(dǎo)致高填方路基變形逐漸累加,最終引發(fā)路基破壞,故需要考慮車輛荷載循環(huán)作用次數(shù)對(duì)高填方路基的影響,并對(duì)長(zhǎng)期車輛荷載的作用進(jìn)行評(píng)估。采用上述路基模型,對(duì)其施加幅值為10 kPa,作用次數(shù)如表2所示的車輛荷載。設(shè)置從路基中央頂面至下在模型高度分別為35 m、25 m、15 m、5 m的4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),其沉降值如后頁(yè)表2所示。由表2可知,車輛荷載的作用次數(shù)對(duì)高填方路基的沉降影響極大,車輛荷載作用次數(shù)越多,其監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值越大,但是監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值的增長(zhǎng)率不斷降低,故沉降值最后逐漸趨于穩(wěn)定。分析監(jiān)測(cè)點(diǎn)1的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),在車輛荷載作用次數(shù)為100時(shí),其沉降值為6.99 mm;而當(dāng)車輛荷載作用次數(shù)從7 000次增大至10 000次時(shí),其沉降值僅增大了0.5 mm。

表2 不同車輛荷載作用次數(shù)下的沉降值一覽表

3 結(jié)語(yǔ)

本文依托某高速公路實(shí)際工程,運(yùn)用FLAC 3D軟件,通過(guò)編寫(xiě)FISH語(yǔ)言對(duì)車輛荷載進(jìn)行定義,根據(jù)數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)車輛荷載作用下的高填方路基動(dòng)力響應(yīng)特性進(jìn)行分析,研究其應(yīng)力、位移的變化規(guī)律,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步探討了車輛荷載幅值和車輛荷載作用次數(shù)的影響,得到如下結(jié)論:

(1)車輛荷載作用下,高填方路基豎向應(yīng)力絕對(duì)值出現(xiàn)明顯的增大,但總體分布特征與靜力狀態(tài)基本一致;考慮到土體阻尼的作用,車輛荷載自路基頂面向下傳遞時(shí)會(huì)發(fā)生衰減,故其頂面監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力變化最為明顯。

(2)原狀地基土兩側(cè)V型溝谷邊坡的存在,對(duì)路基填土起到“圍箍”作用,限制了路基填土的沉降變形;而該邊坡為路基填土與原狀地基土的交界面,結(jié)構(gòu)軟弱,存在較大的水平位移,在車輛荷載作用下極易出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。

(3)車輛荷載幅值越大,則該高填方路基的豎向應(yīng)力、沉降值和水平位移絕對(duì)值也越大,但該三項(xiàng)因素在模型中的分布特性不會(huì)隨著車輛荷載幅值的變化而變化。

(4)隨著車輛荷載作用次數(shù)的增加,高填方路基沉降值不斷增大,但其變化速率逐漸減小,故最終沉降值逐漸趨于平穩(wěn)。