交通荷載作用下粉土路基響應特性分析

龔津梁

摘 要：本文采用有限差分軟件針對某一工程實例的粉土路基響應特性進行了模擬分析，得到了路基沉降、路表沉降規律以及剪切應變增量的云圖，以便有針對性開展相關理論研究工作。

關鍵詞：交通；荷載作用；粉土路基；響應；特性

中圖分類號：U416 文獻標志碼：A

1 工程實例情況介紹

工程區域的巖層呈單斜產出，未發現斷層和褶曲區域。受區域構造的影響，主要有兩組裂隙，其產狀分別為：1組為315°∠61°，裂面平整，無充填，張開度在0.5mm～4.5mm，間距為0.4m～3.0m，延伸長度為0.5m～4.5m，貫通性差；2組為205°∠82°，裂面平直，無充填，張開度在5mm～15mm，間距為0.5m～2.5m，伸延長度為0.8m～4.0m，貫通性較差。勘察區內巖體較完整，結構面結合度較差，地質構造比較簡單；該區域屬溫帶濕潤氣候，四季分明，降雨充沛，日照充足，年平均氣溫在18℃～20℃，降雨基本集中在5～10月份。

2 粉土路基響應特性模擬分析

2.1 數值模擬過程

有限差分軟件擁有多個計算模塊，可以進行靜力分析、滲流分析和動力分析等多方面的數值模擬。在進行響應特性分析時，是一種完全意義上的非線性響應分析，可以在結構非線性、幾何非線性和荷載非線性等方法中進行合理的選擇。當使用FLAC3D進行交通荷載作用下的粉土路基響應分折時，可以將命令按照流程順序儲存于文本文件當中，在分析問題時，便直接采用call命令調入，即可進行分析求解。FIAC3D軟件的具有以下工作流程：建立有限元分析模型、定義材料模型及參數、設定邊界條件及初始條件。

2.2 模型建立及參數選取

本次數值計算是結合某一高速公路路段的施工情況，采用三維有限元做為模型，公路原地基高度設定為15m，路堤高度設定為2m，模型橫向寬度為30m，縱向長度為20m；數值模型的節點總數為11991個，總單元個數為10400個。

3 模擬分析的結果

3.1 位移時程的分析

在交通荷載作用下，粉土路基會隨著時間的變化呈現出不同的沉降位移深度，一般地在車輛荷載作用的瞬間，路基會相應的產生一個瞬時的變形，這屬于彈性變形范疇，其力度可以通過彈性力學進行計算；其次，路基沉降變形會隨著動荷持續增長，在荷載作用前期增長速率逐漸減小，路基沉降變形會隨著荷載作用而持續增長，隨著增長時間的推移，增長的速度逐漸減小，路基沉降變形趨于穩定；當路基沉降變形呈上下波動的狀態時，如果波動的幅度較大，將會對行車的舒適性造成一定的影響。當荷載幅值為l0kPa、20kPa、30kPa和40kPa時，路基最終的沉降位移分別為0.52cm、1.09cm、1.71cm和2.50cm，呈現出非線性增長的趨勢。通過以上的分析可以看出，在路基總變形中，瞬時變形和長期變形約各占50%。

3.2 位移云圖分析

在不同車輛的荷載作用下，某粉土路基的沉降位移云圖如圖1所示。通過觀察圖1可以看出在車輛荷載作用下，路基表面的沉降變形最大，隨著深度的增加，路基的沉降變形逐漸減小；其中，圖1（a）顯示在路基表面中心處沉降變形最大，向路肩方向逐漸減小。結合圖中（a） 、（b）、 （c）、（d）4幅圖片可以看出，路基的沉降變形隨著荷載幅值的增加而增大，甚至造成基底破壞。

3.3 剪切應變增量分析

在不同車輛的荷載作用下，從某粉土路基的沉降位移云圖分析得知，路基表面中心處的剪切應變增量最大，但并不是最可能發生破壞的位置；而路基路肩由于處于非常不利的受力狀態，且剪切應變增量也較大，因此路肩處最容易發生剪切滑坡破壞，通過分析得知，在路基路肩處已經形成一定的滑動帶，但還不是很明顯。隨著荷載幅值的增加，路基路肩處的剪切滑動帶越來越明顯，直至出現剪切破壞。

3.4 豎向位移分析

在不同車輛的荷載作用下，根據某粉土路基的沉降位移云圖可知，路基表面的沉降變形最大，并形成了一個類似于橢圓形狀的等值沉降面，并且隨著沉降程度的加深，路基的沉降變形逐漸減小；隨著荷載幅值的增加，使路基的沉降位移分布情況得到了很大的改變，并且路肩也可能發生剪切滑動破壞。

3.5 路基中心豎向位移分析

隨著車輛荷載幅值的不斷增大，粉土路基表面的沉降位移也在隨之增大。當荷載幅值為為l0kPa、20kPa、30kPa和40kPa時，路基表面的沉降位移分別為0.52cm、1.09cm、1.71cm和2.50cm，由此可以看出路基表面的沉降與荷載幅值之間屬于一種線性關系，并且在深度10m處發生轉折，這也說明了荷載作用對路基的影響深度一般在10m左右。

結語

通過有限差分軟件對粉土路基響應特性的分析，總結出以下沉降位移及變形的規律：第一，在交通荷載作用下，路基的瞬時沉降和長期沉降各占總沉降的50%左右，并且隨著沉降時間的延長，會達到一個穩定值；第二，當荷載幅值為l0kPa、20kPa、30kPa和40kPa時，路基最終的沉降位移分別為0.52cm、1.09cm、1.71cm和2.50cm，呈現出非線性增長的趨勢；第三，隨著荷載幅值的不斷增加，剪切帶越來越明顯，當荷載幅值達到30kPa時，為一個轉折點。

參考文獻

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