車輛荷載作用下高填方路基動力特性研究

黃洪賓

(廣西路橋工程集團有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

在車輛荷載作用下,路基極易產生不均勻沉降等病害,影響行車安全,造成經濟損失。故而研究路基在車輛荷載作用下的動力特性極為重要,對此大量學者進行了深入探討。劉大鵬等[1]設計了低路堤的足尺模型試驗,測試其在車輛靜載、短期車輛動荷載和長期車輛動荷載作用下的應力和應變值,并建立了長期車輛動荷載作用下的低路堤應力計算模型。朱分清等[2]采用數值模擬的方式研究了高速公路不同壓實度的黏土填方路堤,在施工期重載車輛及運營期行車荷載作用下的沉降變形規律。楊強強等[3]基于某管道項目的現場試驗,研究了車輛荷載作用下黃土路基的豎向土壓力傳遞和擴散規律。劉小蘭等[4]考慮到現有路基動態回彈模量試驗的不足,以路基深度為3m處的應力為例,分析了動荷載、靜荷載作用下的路基應力變化規律,并給出了相應的取值范圍。孟上九等[5]采用現場動態監測和數值模擬相結合的方式分析了車輛荷載作用下的路基變形特性。李又云等[6]運用ABAQUS軟件分析了不同車輛荷載動力參數下的路堤沉降變形規律,得到了壓實黃土路堤動力參數和車輛超載情況對路堤沉降的影響。本文依托某高速公路實際工程,運用FLAC 3D軟件,通過編寫FISH語言對車輛荷載進行定義,根據數值仿真計算結果分析車輛荷載作用下的高填方路基動力響應特征,進一步探討了車輛荷載幅值、車輛荷載作用次數等因素的影響。

1 高填方路基動力特性

考慮到實際道路其路面平整度不一,結合車輛自身振動特性,使其作用于路面的荷載呈現波動變化,與簡諧運動類似,基于此,選用移動的簡諧荷載模擬車輛荷載。路基承受的是衰減后的豎向車輛荷載,無水平向力的作用,為簡化計算,在數值分析過程中,可不考慮公路路面的影響,直接將折減后的車輛荷載施加于高填方路基頂面上。本文選用FLAC 3D軟件進行數值仿真動力分析,其流程如圖1所示。

圖1 FLAC 3D數值仿真分析流程圖

1.1 模型的建立

本文依托某高速公路高填方路基實際工程,考慮其線路的半無限性質,將其簡化為平面應變問題,簡化后的數值仿真模型如下頁圖2所示。模型上層為人工壓實黃土填方,其中心高為25 m;下層為原狀地基土,其中心高為10 m;兩側為1∶1.3坡度的V型溝谷邊坡,高度為15 m。設置模型四周為法向約束,底部為全約束,上表面為自由面。土體均設置為摩爾-庫侖本構模型,根據地質勘察報告,其設置土體材料參數如下頁表1所示。

表1 模型材料力學參數表

圖2 FLAC 3D數值仿真模型圖

先對原狀地基土進行初始地應力平衡,然后進行高填方路基施工模擬,由結果可知,填方路基施工完成后,模型最大不平衡力滿足設置要求,趨近于0,故可認為施工結束后,模型整體處于平衡狀態。分析模型沉降變形可知,路基沉降值隨著填土高度的增大而增大,其頂面中心位置沉降值最大,等沉面為U型,究其原因是填土兩側為V型溝谷邊坡,從而對填土起到“圍箍”作用,限制了填土的沉降位移。

1.2 動力加載

為確定車輛荷載對高填方路基的影響,需將填筑施工后的模型位移等響應量進行清零處理。選用FISH語言定義車輛荷載時程曲線如圖3所示,其頻率為1 HZ,以應力時程形式用APPLY命令進行輸入。

圖3 車輛荷載時程曲線圖

考慮模型邊界可能會吸收或反射動力波,從而造成模擬效果出現偏差,故需要先刪除模型底部的全約束,設置其為靜態邊界,并將四周設為自由場邊界。考慮到摩爾-庫侖本構模型的滯回特性,為反映土體真實的阻尼,設置系數為0.02的局部阻尼。為進一步提高計算效率,選用動態多步的方式進行求解,設置動力加載時間為10 s。

1.3 結果分析

加載車輛荷載后,由結果可知,其整體應力分布較靜力狀態基本不發生變化,但其豎向應力的絕對值較靜力狀態有明顯的增大。設置模型監測點如圖4所示。

圖4 監測點布置示意圖

對監測點1、監測點3、監測點5的動應力進行分析,其中,監測點1位移路基頂面,其填土高度為35 m;監測點3位移路基頂面以下10 m,其填土高度為25 m;監測點5位移路基頂面以下20 m,其填土高度為15 m,其結果如圖5所示。由圖5可知,監測點1即路基頂面的動應力變化最為明顯,隨著填土高度的降低,其監測點動應力逐漸平緩,究其原因是車輛荷載施加于路基頂面,后向下傳遞,傳遞過程中受到土體阻尼的影響,車輛荷載發生了衰減和擴散。

圖5 車輛荷載作用下不同監測點動應力變化曲線圖

分析車輛荷載作用下路基的豎向位移可知,隨著填土高度的降低,其沉降變形逐漸減小,受到兩側V型溝谷邊坡的約束作用和黃土自身特性的影響,模型沉降變形的等沉面并非水平分布,而呈現出略向上突起的現象。原狀地基土的沉降變形明顯小于路基填土,主要是因為原地基土在長期地質作用下,其壓實度較路基填土更大,由此可知,在高填方路基土施工時,對其進行充分壓實可有效減少其在車輛荷載下的沉降變形,從而提高其使用壽命。

監測點3在車輛荷載作用下的豎向位移隨時間變化曲線如圖6所示,由圖6可知,在車輛荷載作用下,路基填土的豎向位移主要表現為往復變化,有明顯的彈塑性;在車輛荷載加載完成后出現3 mm左右的累積沉降量;以圖中9～10 s的車輛荷載施加為例,其瞬時沉降為y2-y0,約11 mm;其中y1-y0為塑性沉降,約1 mm;y2-y1為彈性沉降,約10 mm。故可知,在考慮車輛荷載的動力作用的情況下,需要特別注意路基彈性沉降的影響。

圖6 車輛荷載作用下監測點3豎向位移曲線圖

分析車輛荷載作用下路基的水平位移可知,水平位移絕對值明顯小于路基的豎向位移,且主要集中于兩側V型溝谷邊坡及路基頂面處。填土路基與原狀地基土在兩側V型溝谷邊坡,即兩者交界面處,產生了朝向溝谷內側的輕微滑動。由此可知,兩側V型溝谷邊坡對填土路基產生了一定的擠壓作用,從而起到了限制填土路基沉降變形的作用;但也表明此處為路基填土與原狀地基土的軟弱結構帶,填方施工過程中應當對路基填土與原狀地基土的接觸位置進行處理,可采用臺階法施工、增設土工格柵等方式增加兩者接觸面,使其能夠緊密交接,從而提高該填方路基的整體穩定性。

2 高填方路基動力特性影響因素分析

2.1 車輛荷載幅值的影響

考慮到所依托的高速公路實際工程存在明顯的超載超限現象,故需要考慮重載情況下的車輛荷載對高填方路基動力特性的影響。采用上述路基模型和監測點設置,分別對其施加動力時間均為10 s,動荷載幅值分別為10 kPa、15 kPa、20 kPa、25 kPa的車輛荷載。

分析不同車輛荷載作用下模型的豎向應力分布規律可知,隨著車輛荷載的幅值不斷增大,該高填方路基各土層的豎向應力也不斷增大,但其分布規律基本一致。分析高填方路基不同高度處的豎向應力變化曲線可知,在不同車輛荷載作用下,高填方路基豎向應力隨著填筑高度呈現出線性變化規律,且隨著車輛荷載幅值的增大而增大,其結果如圖7所示。分析監測點的動應力時程曲線圖可知,隨著車輛荷載的幅值增大,監測點動應力變化幅值也增大。

圖7 高填方路基豎向應力隨動荷載幅值變化曲線圖

分析不同車輛荷載作用下模型的沉降分布規律可知,車輛荷載幅值越大,則高填方路基的沉降也越大,但其整體變化規律基本一致,其沉降最大值均在路基頂面,不同車輛荷載幅值情況下的沉降最大值分別為5.04 mm、7.66 mm、10.23 mm、12.80 mm。圖8所示為該高填方路基不同高度處的沉降隨車輛荷載幅值的變化曲線。由圖8可知,在不同車輛荷載作用下,高填方路基的沉降隨著填筑高度呈現出線性變化規律;高填方路基的沉降隨著車輛荷載幅值的增大而增大;且路基填筑高度越高,其沉降隨著車輛荷載幅值的增大越明顯。當車輛荷載幅值由10 kPa增至25 kPa時,監測點1(填筑高度為35 m)變形量增大幅度為155.7%;監測點5(填筑高度為15 m)變形量增大幅度為153.5%;監測點7(填筑高度為5 m)變形量增大幅度為152.1%。

圖8 高填方路基沉降隨動荷載幅值變化曲線圖

分析不同車輛荷載作用下模型的水平位移分布規律可知,隨著車輛荷載幅值的增大,其水平位移絕對值出現明顯的增大,但其整體變化規律基本一致,主要集中于兩側V型溝谷邊坡及路基頂面處。且水平位移絕對值明顯小于路基的豎向位移,在車輛荷載幅值分別為10 kPa、15 kPa、20 kPa、25 kPa時,其水平最大值分別為0.150 mm、0.216 mm、0.285 mm、0.343 mm。分析監測點10和監測點12(分別位于兩側V型溝谷邊坡處,即路基填土與原狀地基土交界面處)的水平位移隨車輛荷載幅值的變化規律可知,高填方路基水平位移絕對值隨著車輛荷載幅值的增大而增大,整體呈線性變化。

2.2 車輛荷載作用次數的影響

考慮到所依托的高速公路實際工程實際行車量較大,而長期的車輛荷載會導致高填方路基變形逐漸累加,最終引發路基破壞,故需要考慮車輛荷載循環作用次數對高填方路基的影響,并對長期車輛荷載的作用進行評估。采用上述路基模型,對其施加幅值為10 kPa,作用次數如表2所示的車輛荷載。設置從路基中央頂面至下在模型高度分別為35 m、25 m、15 m、5 m的4個監測點,其沉降值如后頁表2所示。由表2可知,車輛荷載的作用次數對高填方路基的沉降影響極大,車輛荷載作用次數越多,其監測點沉降值越大,但是監測點沉降值的增長率不斷降低,故沉降值最后逐漸趨于穩定。分析監測點1的監測數據,在車輛荷載作用次數為100時,其沉降值為6.99 mm;而當車輛荷載作用次數從7 000次增大至10 000次時,其沉降值僅增大了0.5 mm。

表2 不同車輛荷載作用次數下的沉降值一覽表

3 結語

本文依托某高速公路實際工程,運用FLAC 3D軟件,通過編寫FISH語言對車輛荷載進行定義,根據數值仿真計算結果對車輛荷載作用下的高填方路基動力響應特性進行分析,研究其應力、位移的變化規律,在此基礎上,進一步探討了車輛荷載幅值和車輛荷載作用次數的影響,得到如下結論:

(1)車輛荷載作用下,高填方路基豎向應力絕對值出現明顯的增大,但總體分布特征與靜力狀態基本一致;考慮到土體阻尼的作用,車輛荷載自路基頂面向下傳遞時會發生衰減,故其頂面監測點應力變化最為明顯。

(2)原狀地基土兩側V型溝谷邊坡的存在,對路基填土起到“圍箍”作用,限制了路基填土的沉降變形;而該邊坡為路基填土與原狀地基土的交界面,結構軟弱,存在較大的水平位移,在車輛荷載作用下極易出現滑移現象。

(3)車輛荷載幅值越大,則該高填方路基的豎向應力、沉降值和水平位移絕對值也越大,但該三項因素在模型中的分布特性不會隨著車輛荷載幅值的變化而變化。

(4)隨著車輛荷載作用次數的增加,高填方路基沉降值不斷增大,但其變化速率逐漸減小,故最終沉降值逐漸趨于平穩。