摘要：以S21線阿勒泰至烏魯木齊公路建設工程為研究對象，通過運用Midas GTS/NX 軟件，建立爐渣-礦渣-電石渣穩(wěn)定粉黏土路基路面結構模型，進行數(shù)值模擬分析路基應力、應變、沉降規(guī)律。與現(xiàn)場實測值進行對比，以驗證文中所建模型的正確性。研究結果表明：A界面現(xiàn)場實際監(jiān)測的豎向沉降值，較采用有限元數(shù)值計算的結果偏??；B界面與C界面現(xiàn)場實際監(jiān)測的豎向沉降值，較采用有限元數(shù)值計算的結果偏大。數(shù)值結果與現(xiàn)場實測結果存在一些差別，但是總體趨勢一致，表明文中模型合理。

關鍵詞：工業(yè)廢渣；穩(wěn)定特殊土；現(xiàn)場實測；數(shù)值模擬

0" "引言

近年來，我國工業(yè)廢棄物的排放量逐年增加，而提高資源能源的利用率是解決資源、環(huán)境制約經濟發(fā)展的重要途徑[1]。爐渣、粒化高爐礦渣和電石渣是眾多工業(yè)固體廢渣中重要類型，工業(yè)廢渣的處理及高附加值資源化利用是目前面臨的較大難題，亦是亟待解決的重要課題，為此有必要對工業(yè)廢渣資源化利用進行關鍵應用技術研究。目前一些學者通過不同手段對此開展了一系列的研究，并取得了豐碩的成果。趙心濤等[3]以某膨脹土公路工程為研究對象，通過室內試驗講不通含量的煤渣混入膨脹土，研究了不同摻入量煤渣對膨脹土物理力學特性的影響規(guī)律。袁文英[4]結合城市道路結構設計特點，采用正交試驗設計，分析了電石渣對道路路基土層的改良機理，以及電石渣對土層改良的敏感性分析。羅洪偉等[5]以生產電石排除的廢渣—電石渣為研究對象，將電石渣與路基土混合，研究不同配比混合料的力學特性，并分析了技術和經濟指標。戈銘等[6]同樣基于電石渣背景，通過CBR試驗以及室內無側限抗壓強度試驗，研究了不同影響因素下混合料的性能。

本文結合S21線阿勒泰至烏魯木齊公路建設工程，對工業(yè)廢渣中爐渣-礦渣-電石渣利用復配處治特殊土路基進行系統(tǒng)化研究，探討廢渣與廢渣之間、廢渣與不良土質之間的相互作用機理[2]。通過運用Midas GTS/NX 軟件，建立爐渣-礦渣-電石渣穩(wěn)定粉黏土路基路面結構模型，進行數(shù)值模擬分析路基應力、應變、沉降規(guī)律。

1" "工程概況

新疆S21線阿勒泰至烏魯木齊公路建設工程（黃花溝至烏魯木齊段）為新建高速公路，本項目試驗段位于第六合同段102團北匝道收費站，起止里程樁號為EK0+700～EK0+913，共計213m。

設定道路結構模型X方向（路基寬度）寬度取27m，Y方向（縱向）長度取50m，Z方向（填筑高度）高度取1.46m，路基邊坡坡率1：1.5。對應試驗段EK0+800～EK0+850，其路基路面結構層設計厚度、寬度見表1。

2" "有限元模型建立

2.1" "確定道路結構模型邊界

為了滿足計算精度的要求，道路結構模型邊界范圍大小的選取，依據(jù)路基工程規(guī)范及數(shù)值模擬經驗，沿道路橫向（X方向）總長度取58.7m，沿道路縱向（Y方向）總長度取50m，地基深度（Z方向）總長度取7.46m。

2.2" "選取力學參數(shù)

根據(jù)上述室內試驗結果，選取不同路基路面結構層的力學參數(shù)。路基路面結構層力學參數(shù)如表2所示。

2.3" "模型建立

根據(jù)上述參數(shù)，建立爐渣-礦渣-電石渣穩(wěn)定粉黏土路基道路結構三維有限元數(shù)值模型如圖1所示。其中：中粒式瀝青混凝土面層、粗粒式瀝青混凝土面層、水泥穩(wěn)定砂礫基層、天然砂礫底基層采用彈性模型-線彈性本構，三渣穩(wěn)定粉黏土路基、地基采用莫爾-庫侖破壞準則-彈塑性本構。

邊界約束條件如下：X=0、X=58.7（左、右面）采用固定約束；Y=0、Y=50（前、后面）采用固定約束；Z=0（底面）采用固定約束，Z=7.46（頂面）為自由邊界面。

高級公路匝道為供汽車行駛的雙車道公路。要求雙車道適應，將各種型號汽車折合成小客車的年平均日設計交通量15000輛以上。汽車荷載為公路Ⅰ級，車輛重力標準值為550kN。路面結構設計標準軸載為雙輪組單軸100kN，均布荷載標準值為28kN·m2。

3" "數(shù)值模擬結果分析

3.1" "道路橫斷面豎向設定

為了便于后續(xù)分析道路結構每層應力-應變-沉降變化規(guī)律，將道路橫斷面豎向設定如下：原始地基面與下路床交界面為A 層，下路床與上路床交界面為B 層，上路床與下路床交界面為C 層，道路橫斷面橫向設定

3.2" "車輛荷載運營期應力場分析

根據(jù)《公路工程技術標準》（JTG B01—2003）規(guī)范規(guī)定，設計年平均日交通量按照15000輛考慮，計算均布荷載標準值為28kN/m2。通過Midas GTS/NX有限元數(shù)值，計算提取爐渣-礦渣-電石渣穩(wěn)定粉黏土路基的長期豎向沉降變形、豎向應力、剪切應力、應變等。

3.2.1" "荷載場-道路中心線正下方豎向沉降分析

荷載場-道路中心線正下方豎向沉降如圖1所示。由圖1可知，爐渣-礦渣-電石渣穩(wěn)定粉黏土路基在長期荷載場作用下，整體豎向沉降位移呈現(xiàn)荷載作用范圍內沉降大，周邊沉降沿作用區(qū)域逐圈減小的趨勢。沿道路中心線橫向（X方向）呈對稱趨勢分布，沿豎向（Z方向）呈線性減小趨勢分布。

此外，三渣穩(wěn)定粉黏土路基結構形式，在行車荷載作用下產生的最大豎向位移為0.5～0.59mm，發(fā)生在路面層0～0.12m深度范圍內。在三渣穩(wěn)定粉黏土路基與地基交界面處，豎向沉降位移最大值為0.44mm。在三渣穩(wěn)定粉黏土上路床與下路床交界面處，豎向沉降位移最大值0.47mm。由此說明，車輛荷載作用對路基結構產生的附加應力較小，沉降影響微弱。

3.2.2" "路基豎向應力與剪應力分析

三渣穩(wěn)定粉黏土路基的豎向應力如圖2所示。由圖2可知，三渣穩(wěn)定粉黏土路基與地基交界面處豎向應力值0.025MPa，在三渣穩(wěn)定粉黏土上路床與下路床交界面處豎向應力值約0.01MPa。三渣穩(wěn)定粉黏土路基的剪應力如圖3所示。由圖3可知，剪應力在三渣穩(wěn)定粉黏土路基中較小約為19.92kPa，小于三渣穩(wěn)定粉黏土黏聚力值，而在路面層較大約為0.2MPa。

綜上所述，荷載作用下對三渣穩(wěn)定粉黏土路基結構影響較小，對路面結構影響較大。整體而言，三渣穩(wěn)定粉黏土路基豎向應力、剪應力均呈現(xiàn)沿道路中心線對稱、分層分布規(guī)律。

3.2.3" "三渣穩(wěn)定粉黏土路基應變分析

三渣穩(wěn)定粉黏土路基應變分析如圖4所示。由圖4可知，三渣穩(wěn)定粉黏土路基與地基交界面處、三渣穩(wěn)定粉黏土上路床與下路床交界面處，兩個不同深度范圍內應變值變化不大，約為60～85με，說明三渣穩(wěn)定粉黏土路基的“層狀板體”結構基本形成，整體變形穩(wěn)定。

通過上述三渣穩(wěn)定粉黏土路基應力-應變-沉降數(shù)值模擬分析發(fā)現(xiàn)，三渣穩(wěn)定粉黏土路基在荷載場作用下其豎向沉降位移值微小，路基范圍內豎向位移值約0.44～0.47mm。其豎向應力值為層狀穩(wěn)定分布，路基范圍內應力值約0.01～0.025MPa。其監(jiān)測路基范圍內剪切應力值低于三渣穩(wěn)定粉黏土的黏聚力值，應變值變化微小，整體變形穩(wěn)定。綜上所述，三渣穩(wěn)定粉黏土路基結構形式長期路用性能較穩(wěn)定，適用性較好，滿足相應規(guī)范要求。

3.3" "豎向沉降計算值與現(xiàn)場監(jiān)測值對比

為了進一步分析數(shù)值計算的準確性與可靠性，將上述數(shù)值模擬計算的路用效果指標與斷面Ⅲ實際現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，繪制三渣穩(wěn)定粉黏土路基的豎向沉降現(xiàn)場監(jiān)測值與數(shù)值計算值對比如圖5所示。

由圖5可知，A界面（原始地基與下路床交界面）現(xiàn)場實際監(jiān)測的豎向沉降值，較采用有限元數(shù)值計算的結果偏小。這主要在于現(xiàn)場場地原始地基經過清表整平、沖擊碾壓等過程，使得原狀土體得到進一步碾壓壓實，而數(shù)值模擬并沒有模擬這一過程，故而導致現(xiàn)場監(jiān)測豎向沉降值較有限元模擬計算值偏小。

B界面（上下路床交界面）與C界面（上路床與底基層交界面）現(xiàn)場實際監(jiān)測的豎向沉降值，較采用有限元數(shù)值計算的結果偏大。隨著路基填筑高度的增加，現(xiàn)場監(jiān)測值與數(shù)值計算值誤差越小，兩者的變化趨勢一致。

現(xiàn)場實際監(jiān)測的豎向沉降值偏大，一方面由于現(xiàn)場布設監(jiān)測元器件需要對原始碾壓完成，再開挖監(jiān)測點埋置元器件，對原狀土體或碾壓路基有所擾動，元器件周圍出現(xiàn)松動土體。在埋設完之后再進行碾壓，使監(jiān)測點位產生局部集中應力，從而產生額外的豎向沉降值，從而導致實際監(jiān)測豎向沉降值較有限元數(shù)值計算值偏大。

另一方面，由于有限元數(shù)值模擬計算中，三渣穩(wěn)定粉黏土采用的本構關系為莫爾-庫侖準則-彈塑性本構，而通過室內試驗與理論分析可知，三渣穩(wěn)定粉黏土本構關系更符合雙線性-理想塑性-線性模型，強度參數(shù)值并不是恒定的，而是呈逐漸減小趨向，故而導致現(xiàn)場實際監(jiān)測的豎向沉降值偏大、有限元數(shù)值模擬計算值偏小。

此外采用有限元數(shù)值計算是基于一定的理論假設條件，且只考慮了應力場，未考慮滲流-溫度場的耦合影響，從而導致計算值偏小。

4" "結束語

本文基于S21線阿勒泰至烏魯木齊公路建設工程，運用有限元數(shù)值模擬軟件，建立了三渣穩(wěn)定粉黏土路基道路結構數(shù)值模型，對比分析了現(xiàn)場監(jiān)測值與模擬計算值。獲得以下主要結論：

A界面現(xiàn)場實際監(jiān)測的豎向沉降值，較采用有限元數(shù)值計算的結果偏小。其主要原因在于現(xiàn)場場地原始地基經過清表整平、沖擊碾壓等過程，使得原狀土體得到進一步碾壓壓實，而數(shù)值模擬并沒有模擬這一過程，故而導致現(xiàn)場監(jiān)測豎向沉降值較有限元模擬計算值偏小。

B界面與C界面現(xiàn)場實際監(jiān)測的豎向沉降值，較采用有限元數(shù)值計算的結果偏大。其主要原因一方面由于布設監(jiān)測元器件，對原狀土體或碾壓完成路基有所擾動，使監(jiān)測點周圍出現(xiàn)松動土體，并產生局部集中應力，從而產生額外的豎向沉降值，導致實際監(jiān)測豎向沉降值較有限元數(shù)值計算值偏大。另一方面，由于有限元數(shù)值模擬計算中三渣穩(wěn)定粉黏土采用的本構關系不能完全準確表征應力-應變關系。

參考文獻

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[2] 王偉.高速公路高填土路基病害及處理措施研究[J].交通世界，2021（Z2）：71-72.

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[6] 戈銘.電石渣穩(wěn)定土路基的試驗研究[J].現(xiàn)代交通技術，2015，12（6）：8-10+31.

（新疆交通投資（集團）有限責任公司，新疆烏魯木齊" "830000）