交通荷載作用下道路側(cè)向位移分析

龍偉民

（山西省公路局 長治分局，山西 長治 046000）

側(cè)向位移作為道路工程的一項重要指標(biāo)，與道路的沉降、穩(wěn)定性有著密切的關(guān)系[1]。目前，國內(nèi)外對道路地基側(cè)向位移的分析較多。趙巖為彌補(bǔ)現(xiàn)有道路沉降預(yù)測模型中未考慮地基側(cè)向位移的不足，提出了基于等體積法的沉降預(yù)測模型，并建立了計算方法[2]；張軍基于兩階段分析方法對樁承式加筋路堤現(xiàn)有技術(shù)和新技術(shù)側(cè)向變形特性進(jìn)行了對比分析[3]；喬英娟建立了瀝青路面的三維數(shù)值模型，分析了路基路面?zhèn)认蛭灰茖r青路面抗車轍的影響[4]。

本文采用有限差分軟件FLAC3D建立數(shù)值分析模型，對交通荷載作用下道路側(cè)向位移進(jìn)行系統(tǒng)分析。

1 數(shù)值建模

本文數(shù)值模擬現(xiàn)場試驗道路如圖1所示。道路鋪面結(jié)構(gòu)由上至下名稱及通過室內(nèi)土工試驗獲得的各層材料物理力學(xué)參數(shù)詳見表1。采用FLAC3D建立的數(shù)值模型如圖2所示。

圖1 現(xiàn)場試驗圖示（單位：mm）

表1 道路結(jié)構(gòu)各層材料物理力學(xué)參數(shù)

圖2 數(shù)值模型

2 數(shù)值建模分析

圖3a為地基中不同豎直斷面處最大側(cè)向位移分布曲線。地基中側(cè)向位移沿水平方向呈先增大后減小的變化規(guī)律，并在加載板一側(cè)達(dá)到最大值。圖3b為不同豎直斷面?zhèn)认蛭灰蒲厣疃确植记€。整體上，側(cè)向位移沿深度方向呈先增加后減小的變化規(guī)律。

圖3 地基中側(cè)向位移分布曲線

圖4為地基不同深度處側(cè)向位移沿水平位置分布曲線，其中-0.72 m為砂墊層頂部，-3.27 m為砂墊層底部，-6.02 m為淤泥質(zhì)土頂部。在砂墊層頂部，加載范圍左側(cè)側(cè)向位移向左，在加載邊緣向左的位移最大并隨著與加載范圍邊緣距離的增加而減??；加載范圍內(nèi)，側(cè)向位移向左并沿x軸正向逐漸減??；加載范圍右側(cè)邊緣，向左的側(cè)向位移減小至0，x軸正向轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛴业膫?cè)向位移；向右的側(cè)向位移隨著與加載范圍右側(cè)邊緣距離的增加而增加，并在加載板塊邊緣處達(dá)到最大值后又逐漸減小。隨深度的增加，向右側(cè)向位移所占比例逐漸減小，最大向左側(cè)向位移量逐漸增加并在淤泥質(zhì)土層頂部達(dá)到最大值。

圖4 地基不同深度處側(cè)向位移沿水平位置分布曲線

3 參數(shù)分析

如圖5所示，對BJ、BB2和BZ 3個不同荷位加載工況進(jìn)行參數(shù)分析。

圖6a為不同荷位加載工況下砂墊層頂部側(cè)向位移分布曲線。在加載板及其左側(cè)區(qū)域，S1工況側(cè)向位移最大，S2工況次之，S3工況最??；在加載板右側(cè)區(qū)域，S3工況側(cè)向位移突然變大，并大于S1及S2工況。圖6b為不同荷位加載工況下砂墊層底部側(cè)向位移分布曲線。S2工況側(cè)向位移量略大于S1工況，S1和S2工況側(cè)向位移量均明顯大于S3工況，最大向左側(cè)向位移在加載板左側(cè)約1.0 m處，最大向右位移量約在加載板邊緣處。圖6c和圖6d分別為不同荷位工況下淤泥質(zhì)黏土層底部及不同斷面最大側(cè)向位移分布曲線，其變化規(guī)律與砂墊層底部相似，且各工況最大側(cè)向位移均發(fā)生在淤泥質(zhì)黏土層頂部。

圖5 不同荷位加載工況示意圖

圖6 地基中側(cè)向位移分布曲線

圖7a～ 圖7d分別為 0.5 MPa、0.7 MPa、0.9 MPa、1.1 MPa和1.3 MPa輪壓加載工況下砂墊層頂部、砂墊層底部、淤泥質(zhì)黏土層頂部及各豎直斷面處最大側(cè)向位移分布曲線。同一位置處的側(cè)向位移均隨輪壓的增加而增加，且在淤泥質(zhì)黏土層頂部的增幅明顯大于砂墊層頂部及底部。

圖7 不同輪壓工況下側(cè)向位移變化曲線

圖8為不同砂墊層厚度工況地基不同深度側(cè)向位移沿水平位置分布曲線。圖8a顯示：各工況下砂墊層頂部側(cè)向位移移量幾乎不變。圖8b顯示：砂墊層底部側(cè)向位移量隨砂墊層厚度的增加而減小，最大側(cè)向位移發(fā)生在加載板邊緣；最大向右側(cè)向位移量要大于加載板左側(cè)的。圖8c顯示：淤泥質(zhì)土頂部側(cè)向位移量隨著砂墊層厚度的增加而減小，1.6 m厚增加至2.0 m厚側(cè)向位移該變量遠(yuǎn)小于其他厚度工況的該變量。圖8d顯示：最大側(cè)向位移量發(fā)生在加載板右側(cè)邊緣，且相同位置處最大側(cè)向位移量隨砂墊層厚度的增加而減小。

圖8 不同砂墊層厚度工況下側(cè)向位移變化曲線

4 結(jié)論

本文采用FLAC3D建立三維數(shù)值分析模型，對交通荷載作用下道路地基中的側(cè)向位移進(jìn)行了深入分析，并對加載荷位、輪壓和砂墊層厚度等設(shè)計指標(biāo)進(jìn)行了參數(shù)分析，主要得到以下結(jié)論：

a）側(cè)向位移沿水平方向呈先增大后減小的變化規(guī)律，并在加載板一側(cè)達(dá)到最大值，沿深度方向呈先增加后減小的變化規(guī)律。

b）板角加載工況為最不利荷位工況。整體上，地基中側(cè)向位移隨著輪壓的增加而增大，隨著砂墊層厚度的增加而減小。