邵李珉華,張 艷

(1.江西省交通投資集團(tuán)有限責(zé)任公司宜春管理中心,江西 宜春 336000;2.黑龍江省公路建設(shè)中心,黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

在道路建設(shè)的過(guò)程中遇到需在軟土地基上修建道路時(shí),影響道路質(zhì)量及正常使用的關(guān)鍵在于對(duì)變形的控制,道路的變形主要是因?yàn)檐浲料鲁翆?dǎo)致的。超軟土地基在路面荷載和交通荷載的長(zhǎng)期作用下,容易造成不均勻沉降,包括瞬時(shí)沉降、主固結(jié)沉降及次固結(jié)沉降等。

對(duì)不均勻沉降有關(guān)人員進(jìn)行了系列研究,其中李云峰等[1]對(duì)路基的不均勻沉降機(jī)理及相關(guān)的整治措施進(jìn)行研究,研究提出具體的相關(guān)對(duì)策措施; 張嘉凡等[2]對(duì)道路工程中軟土地基的不均勻沉降進(jìn)行研究,研究表明:瀝青面層模量和底基層模量對(duì)面層底面的附加應(yīng)力影響明顯,基層模量對(duì)附加應(yīng)力的影響不太明顯;凌建明等[3]對(duì)濕軟地基在行車(chē)荷載作用下的變形進(jìn)行研究,提出了行車(chē)荷載作用下濕軟路基殘余變形的預(yù)估方法;耿大新等[4]對(duì)軟土路基在長(zhǎng)期交通荷載作用下的殘余變形進(jìn)行研究,建立了交通荷載作用下軟土地基殘余變形的計(jì)算方法,并對(duì)不同類(lèi)型的交通荷載引起的軟土路基的殘余變形量進(jìn)行計(jì)算;王鵬飛等[5-7]對(duì)在軟土地基道路中加寬路堤產(chǎn)生的變形進(jìn)行理論計(jì)算并分析其成因,研究表明:荷載瞬時(shí)作用后,地基中有明顯的有效應(yīng)力變化,這是地基產(chǎn)生初始沉降的原因,不同的拓寬路段應(yīng)結(jié)合實(shí)際的情況采取不同的加固措施;徐遠(yuǎn)杰等[8-12]通過(guò)有限元軟件對(duì)本構(gòu)模型進(jìn)行模擬分析,研究結(jié)果表明:在 Abaqus中增加Duncan-Chang材料本構(gòu)模型后,能夠提高計(jì)算的速度、計(jì)算的精度,還能充分地利用該軟件強(qiáng)大的非線性求解平臺(tái)完成復(fù)雜土工應(yīng)力應(yīng)變的有限元數(shù)值分析問(wèn)題,同時(shí)還能極大地降低土工分析程序開(kāi)發(fā)的難度,并減少維護(hù)工作量。

為此在現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上,通過(guò)理論研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,借助PLAXIS及Abaqus有限元軟件對(duì)超軟土道路地基的變形進(jìn)行研究,并對(duì)路基路面破壞的原因進(jìn)行分析。

1 超軟土道路地基的變形機(jī)理分析

(1)瞬時(shí)沉降:瞬時(shí)沉降主要是由于在加載的瞬間土中的水來(lái)不及排出,導(dǎo)致在不排水和恒體積的情況下,剪應(yīng)變引起側(cè)向的變形而產(chǎn)生沉降;這種沉降與加載的速率及加載的方式有很大的關(guān)系。

(2)主固結(jié)沉降:主固結(jié)沉降主要是由于超靜水壓力的消散,應(yīng)力增量轉(zhuǎn)移到土體的骨架上,導(dǎo)致土骨架產(chǎn)生變形而產(chǎn)生的沉降;這種沉降是地表沉降的主要部分,主要與時(shí)間有關(guān),沉降主要表現(xiàn)在體積變化上。

(3)次固結(jié)沉降:次固結(jié)沉降主要是在主固結(jié)沉降基本完成后,在有效應(yīng)力基本保持不變的情況先,土骨架隨時(shí)間的推移繼續(xù)產(chǎn)生的沉降;這種沉降主要是在長(zhǎng)期荷載作用下而形成的,一般沉降值較小。

(4)殘余沉降:殘余沉降主要是在車(chē)輛行駛荷載的作用下,將該荷載傳至軟土地基中,導(dǎo)致地基中的孔隙水壓力累積升高,削弱了地基原本抵抗變形的能力,同時(shí)又隨著累積孔隙水壓力的消散,地基在此產(chǎn)生固結(jié)變形,從而產(chǎn)生累積的殘余變形。這種主要是受車(chē)輛行駛荷載的影響。

在實(shí)際工程中道路的沉降是由主固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降和瞬時(shí)固結(jié)沉降共同作用而產(chǎn)生的,在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)以其中的一種沉降變形為主,在不同的狀態(tài)下三種沉降產(chǎn)生的大小也不相同。在較厚的軟土中,當(dāng)路基填筑完后所產(chǎn)生的沉降主要是由于主固結(jié)沉降產(chǎn)生的;在道路通車(chē)后,在往返車(chē)輛交通荷載的作用下,會(huì)導(dǎo)致地基中的孔隙水壓力累積升高,不僅會(huì)削弱地基抵抗變形的能力,還會(huì)導(dǎo)致累積空隙水壓力逐漸消散,此時(shí)會(huì)導(dǎo)致路基產(chǎn)生沉降,這種沉降稱(chēng)為累積殘余沉降。

2 超軟土地基的設(shè)計(jì)思路

在超軟土道路地基中,瞬時(shí)沉降、主固結(jié)沉降及次固結(jié)沉降一般都是同時(shí)發(fā)生的,針對(duì)超軟土地基沉降量大、主固結(jié)時(shí)間較長(zhǎng),受車(chē)輛荷載作用的影響大及不均勻沉降大的沉降特點(diǎn),在這種不良的地基上進(jìn)行道路的建設(shè)時(shí),需對(duì)地基進(jìn)行加固來(lái)減小不均勻沉降和總沉降量,使道路能夠正常的使用;其次在道路荷載作用下地基已經(jīng)完成較高固結(jié)度后,應(yīng)適當(dāng)?shù)脑黾泳S護(hù),對(duì)路面形成保護(hù)效果。

3 有限元分析

3.1 有限元模型分析

在有限元模型分析中所采用的土體分析模型為彈塑性模型(Mohr-Coulomb),彈塑性模型在進(jìn)行分析時(shí)其屈服面是固定的,塑性應(yīng)變不會(huì)影響屈服面,屈服面可以通過(guò)模型的參數(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)定,屈服面范圍內(nèi)的點(diǎn)就代表著材料應(yīng)力模型的彈性,其變形可以自由恢復(fù)。彈塑性模型由彈性應(yīng)變、塑性應(yīng)變、彈性應(yīng)變?cè)隽?、塑性?yīng)變?cè)隽拷M成,具體可見(jiàn)公式(1)、公式(2)。

ε=εe+εp

(1)

ξ=ξe+ξp

(2)

式中:ε為應(yīng)變;ξ表示應(yīng)變?cè)隽?εe為彈性應(yīng)變;εp為塑性應(yīng)變;ξe為彈性應(yīng)變?cè)隽?ξp為塑性應(yīng)變?cè)隽俊?/p>

3.2 模型及相關(guān)參數(shù)設(shè)置

為研究超軟土地基的變形沉降問(wèn)題,借助有限元軟件PLAXIS對(duì)在超軟土地基上建設(shè)道路進(jìn)行仿真模擬分析,本次模型中所采用的土體本構(gòu)關(guān)系為摩爾—庫(kù)倫彈性理想塑性本構(gòu)關(guān)系,模型中關(guān)于土體的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表1所示,表1中參數(shù)根據(jù)工程中的地質(zhì)勘探報(bào)告所得。

表1 模型參數(shù)設(shè)置

3.3 有限元仿真結(jié)果分析

(1)瞬時(shí)固結(jié)沉降分析。

根據(jù)模擬的結(jié)果對(duì)瞬時(shí)固結(jié)沉降進(jìn)行分析,具體的結(jié)果如圖1所示。

圖1 瞬時(shí)沉降結(jié)果圖

從圖1中(a)沉降的網(wǎng)格變形圖中可以看出,在模型中有軟土地基部分,在左上角的網(wǎng)格變形最為嚴(yán)重,說(shuō)明在此處的沉降最大,從(b)位移圖中也看出此現(xiàn)象,在左上角的位移變形最大,并且發(fā)現(xiàn)本次模擬的瞬時(shí)固結(jié)沉降最大值約為13.75 cm。

(2)主固結(jié)沉降分析。

根據(jù)模擬的結(jié)果對(duì)主固結(jié)沉降進(jìn)行分析,本次對(duì)主固結(jié)沉降的分析是模擬在道路建成900 d后的沉降結(jié)果,具體的結(jié)果如圖2所示。

圖2 主固結(jié)沉降結(jié)果圖

從圖2中(a)沉降的網(wǎng)格變形圖中可以看出,在模型中有軟土地基部分,在左上角的網(wǎng)格變形最為嚴(yán)重,說(shuō)明在此處的沉降最大,從(b)位移圖中也看出此現(xiàn)象,在左上角的位移變形最大,并且發(fā)現(xiàn)本次模擬的瞬時(shí)固結(jié)沉降最大值約為27.2 cm。

(3)累積殘余沉降分析。

根據(jù)模擬的結(jié)果對(duì)累積殘余沉降進(jìn)行分析,本次對(duì)累積殘余沉降的分析主要是借助有限元軟件Abaqus,在Abaqus有限元模型的參數(shù)設(shè)置與在PLAXIS模型中的參數(shù)相同,通過(guò)Abaqus軟件結(jié)合總塑性變形的計(jì)算公式,結(jié)果如圖3所示?？偹苄宰冃斡?jì)算公式

(3)

式中:Sp為塑性殘余變形,εpi為第i層土體的塑性應(yīng)變,Hi為第i層土體的厚度。

可以看出,在對(duì)超軟土進(jìn)行塑性應(yīng)變區(qū)范圍的模擬中發(fā)現(xiàn),在模擬車(chē)輛荷載作用下軟土的塑性應(yīng)變主要發(fā)生在6 m左右的范圍,通過(guò)上述的公式計(jì)算,可得其殘余應(yīng)變的沉降值約為15.5 cm。

通過(guò)對(duì)超軟土道路地基的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),本次超軟土地基的沉降為瞬時(shí)沉降、固結(jié)沉降及累計(jì)殘余應(yīng)變沉降,通過(guò)三者的累加可得到本次超軟土的總沉降值約為56.45 cm。

4 結(jié) 論

在現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上,通過(guò)理論研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,借助PLAXIS有限元軟件對(duì)超軟土道路地基的變形進(jìn)行研究,并對(duì)路基路面破壞的原因進(jìn)行分析,研究結(jié)果表明:在超軟土道路地基中主要會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)沉降、主固結(jié)沉降及累積殘余沉降等,通過(guò)模擬計(jì)算,發(fā)現(xiàn)本次的模擬結(jié)果與常見(jiàn)的實(shí)際沉降結(jié)果相近,說(shuō)明本次的模擬結(jié)果可靠,有一定的參考價(jià)值。