交通荷載作用下大粒徑土石混合料路堤沉降特性分析

王延忠，劉長瑞，孔振中，趙志樸，馮柏人

(1.山東省公路橋梁建設有限公司，山東 濟南 2500001；2.山東建筑大學交通工程學院，山東 濟南 250101)

0 引 言

京滬高速改擴建萊蕪新泰段第二標段位于丘陵地區，廣泛分布著大粒徑塊石和土石混合料。為便于因地制宜、就地取材，需研究大粒徑土石混合料填筑路堤的沉降特性。由于大粒徑塊石的尺寸較大，難以直接進行室內試驗，隨著有限元軟件的日漸成熟，越來越多的學者[1-3]利用Abaqus軟件對大粒徑土石混合料進行數值模擬研究。

本文從京滬高速改擴建大粒徑土石混合料填筑路堤出發，采用有限元計算來研究交通荷載作用下大粒徑土石混合料路堤沉降特性。

1 工程概況

京滬高速公路改擴建萊(蕪)新(泰)段第二標段起點樁號為YK507+460(ZK507+469)，終點樁號為K540+580，全長33.12 km，途經泰安新泰市龍廷鎮、汶南鎮，至臨沂市蒙陰縣常路鎮。其中起點至K525+700為分離式路基，長18.24 km；K525+700至終點為整體式拼寬路基，長14.88 km。

本次模擬大粒徑土石混合料填筑于京滬高速公路改擴建萊(蕪)新(泰)段第二標段分離增建路基。路基標準寬度20.75 m，雙向四車道，設計車速120 km/h，坡度1∶1.5，路面結構厚度0.84 m，路堤高度為6 m，土基高度為10 m。

2 模擬方案

考慮車輛荷載作用，通過有限元軟件Abaqus建立三維道路模型，模擬塊石在路堤內部不同深度和粒徑條件下路堤的沉降特性。

2.1 塊石布放方案

將各粒徑塊石分別布放于路基內部距頂面1.9 m、3 m、4 m處，塊石布放凈距為2倍粒徑長度，具體填筑方案如表1所示。

表1 塊石填筑方案

2.2 參數選取

使用Abaqus軟件建立道路三維模型(見圖1)，模擬時固定下部地基的底面和4個側面的邊界條件，同時固定地基前后兩側面的邊界條件(即垂直于道路方向的兩個側面)，設置路面、兩側坡面以及地基的上表面為自由邊界。通過土石混合料基本物理力學性質試驗及其他施工設計資料，確定路面結構及路基的各項參數如表2所示，土體本構采用Mohr-Coulomb(摩爾庫侖)模型，三維有限元模型如圖1所示。參考《公路工程技術標準》(JTG B01—2014)[4]中車輛荷載有關規定，選用公路-I級荷載后軸重力標準值2×140 kN，著地面積寬度0.6 m×長度0.2 m，換算成均布荷載為1 167 kPa，按車輛荷載作用頻率較高情況考慮，假定荷載沿高速公路程帶狀連續分布，荷載作用寬度為0.2 m。

表2 模型參數選取

圖1 模型建立

3 模擬結果及分析

取路基中線處及其左右兩側各一個塊石分析，塊石從左往右依次編號1～3。

3.1 塊石粒徑對沉降影響結果及分析

在Abaqus中提取塊石及路基頂部沉降，并對各塊石進行編號繪制塊石粒徑-沉降曲線(見圖2)及塊石布放各深度下路面單元沉降變形量路徑曲線(見圖3)，定性分析粒徑對路基豎向穩定性影響規律。以編號“1.9-1”為例，“1.9”為塊石埋深距路基頂面1.9 m，“1”為路基中心左側塊石編號。

圖2 塊石粒徑-沉降曲線圖

由圖2可以看出，隨著粒徑的增加，各埋深塊石的沉降均逐漸減小；由圖3可以看出，路面沉降量由兩側路肩向路面中心逐漸遞增，最大值和最小值之差極小，幾乎無沉降變形，且同一埋深下塊石粒徑越大，路面沉降量越小，豎向穩定性較好。

圖3 塊石布放各深度下路面單元沉降變形量路徑曲線圖

3.2 塊石埋深對沉降影響結果及分析

在Abaqus提取各工況路基中心及周圍兩個塊石沉降數據，并由左到右依次對各塊石進行編號繪制埋深-沉降曲線(見圖4)及各粒徑塊石布放路面單元沉降變形量路徑曲線圖(見圖5)，定性分析粒徑對路基豎向穩定性的影響。以編號“0.4-1”為例，“0.4”為塊石粒徑0.4 m，“1”為路基中心左側塊石編號。

由圖4～圖5可以看出，隨著各粒徑塊石埋深增加，塊石沉降量逐漸變小，二者基本呈線性負相關關系，路面沉降量也隨埋深的增大而減小，且兩側路肩沉降量小于路面中心。

圖4 塊石埋深-沉降曲線圖

圖5 各粒徑塊石布放路面單元沉降變形量路徑曲線圖

4 結 論

綜合以上數值模擬的結果，得到如下結論。

(1)塊石的粒徑越大，塊石對其周圍填料側限作用范圍越大，塊石及路面沉降越小，路基豎向穩定性越好。

(2)塊石埋深越大，由路基上部傳遞下來的能量衰減越多，對塊石的作用越弱，使其沉降減小，同時塊石埋置深度越大，對底部填料的側限作用越強，填料更加密實， 使得路基上部沉降也越小，穩定性越好。